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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie im Kraftfahrzeug-, Maschinen- oder Getriebebau, welche zumindest teilweise aus einem Metallwerkstoff besteht, einen Aufnahmebereich zur Befestigung auf einer Drehachse und eine um die Drehachse drehbar gelagerte Schwungmasse aufweist, wobei die Schwungmasse kreisförmig mit einer radialen Masseverteilung ausgebildet ist.
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Vorrichtungen zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen genutzt, um die Drehbewegung einer Ausgangswelle beispielsweise für das Anlassen des Motors zu verwenden. Für die Schwungmassen werden hier häufig Metallwerkstoffe, häufig Stahlwerkstoffe, eingesetzt, da diese neben einer notwendigen Masse auch notwendige Festigkeiten bereitstellen. In Fahrzeuggetrieben werden Schwungräder beispielsweise im Automatikgetriebe aber auch beim Schaltgetriebe für die Start/Stopp-Automatik verwendet. Darüber hinaus werden Schwungräder auch im Maschinenbau verwendet, um ungleichmäßige Drehbewegungen auszugleichen und kinetische Energie kurzzeitig zwischenzuspeichern. Besonders im Kraftfahrzeugbau werden durch den allgemeinen Trend der Gewichtsreduzierung die Schwungmassen der Vorrichtung zur Speicherung zur kinetischen Energie immer weiter reduziert. Dies hat zur Folge, dass die bisher sehr verwindungssteifen Schwungmassen nunmehr zu Schwingungen neigen, welche nicht nur zu störenden Geräuschen, sondern auch zu erheblichen Belastungen der Lager führt. Dadurch, dass die Schwungmassen üblicherweise nur aus einem Metallwerkstoff bestehen, werden Schwingungen nicht gedämpft, sondern vielmehr in starkem Maße auch an die Umgebung durch Schallemissionen abgegeben. Es sind Maßnahmen bekannt, die Vibrationen von Schwungrädern zu dämpfen, beispielsweise in dem das Schwungrad mit einem Verbundwerkstoff versehen wird, welcher aus einer Metallschicht und einem elastischem Material besteht. Allerdings wird hierdurch einerseits die Masse, wenn auch nur in geringer Weise, erhöht. Andererseits bedarf es eines zusätzlichen Arbeitsschrittes, nämlich der Befestigung der Dämpfungsmittel auf dem Schwungrad, um die Dämpfung zu erzielen.
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Die
DE 199 61 643 A1 betrifft ein Schwungrad mit einer zwischen einem äußeren und inneren Ring befindlichen Kopplungseinrichtung, welche radial elastisch ausgebildet ist und damit hohe Rotationsgeschwindigkeiten ermöglicht.
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Die
DE 10 2007 019 937 A1 beschreibt ein Schwungrad mit einer Versteifungsstruktur, welche auch der Kühlung dient.
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In der
GB 563,575 wird vorgeschlagen, die Speichen eines Schwungrades durch Zwischenelemente mit einem Ring zu verbinden. In der
DE 478 420 A wird das Aufnieten einer Platte auf ein Schwungrad offenbart.
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Hiervon ausgehend hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen zur Speicherungen und/oder Übertragung von kinetischer Energie im Kraftfahrzeug-, Maschinen- oder Getriebebau, insbesondere Schwungräder vorzuschlagen, welche einerseits eine besonders geringe, träge Masse aufweisen und dennoch schwingungsbedämpft sind.
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Die zuvor hergeleitete Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass radial außerhalb des Bereichs zur Aufnahme der Drehachse lokal begrenzte Bereiche mit veränderten Festigkeitseigenschaften zur Schwingungsdämpfung vorgesehen sind und die lokal begrenzten Bereiche zur Schwingungsdämpfung als Schlitze, Fugen, Auslassungen in Form von Ornamenten ausgebildet sind, wobei die Fugen oder Schlitze durch Laserbeschnitt oder Stanzen des Metallwerkstoffs hergestellt sind. Auch können lokal begrenzte Bereiche zur Schwingungsdämpfung als Auslassungen, gehärtete oder weiche Bereiche oder als Bereiche geringerer Wandstärke ausgebildet sein.
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Es wurde festgestellt, dass durch die einfache Maßnahme, lokal begrenzte Bereiche mit veränderten Festigkeitseigenschaften vorzusehen, dass Schwingungsverhalten und damit insbesondere die Anfälligkeit zur Resonanz im Bereich der Eigenschwingung stark gedämpft werden kann. Die in dem radial außerhalb des Bereichs der Aufnahme der Drehachse vorhandenen Schlitze, Fugen oder Auslassungen in Form von Ornamenten werden die die Schwungmasse durchlaufenden Schwingungen gebrochen oder reflektiert, so dass ihre Amplitude daher stark reduziert wird. Gleiches kann durch gehärtete oder weiche Bereiche erreicht werden, welche die Fortpflanzung der mechanischen Schwingungen der Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie stören, dass die Amplitude der Schwingungen stark zurückgeht. Unter gehärteten bzw. weichen Bereichen werden solche flächigen Bereiche der Schwungmasse verstanden, welche entweder eine von dem übrigen Werkstoff der Schwungmasse verschiedene Härte aufweisen. Der Bereich kann auch gegenüber restlichen Werkstoff der Schwungmasse eine geringere Härte aufweisen, so dass dieser Bereich als „weich” bezeichnet werden kann. Dies hat seinen Grund darin, dass aufgrund der sich abrupt ändernden mechanischen Eigenschaften gehärteter oder weicher Bereiche gegenüber dem restlichen Schwungmassenwerkstoff die sich der Schwungmasse fortpflanzenden Schwingungen gestört, reflektiert und gedämpft werden. Gleiches gilt auch für Bereiche geringerer Wandstärke, welche aufgrund ihres lokal angepassten Schwingungsverhaltens die Resonanz der Schwungmasse stark dämpfen.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie ist in den Schlitzen, Fugen oder Auslassungen ein dauerelastisches Material vorgesehen. Das dauerelastische Material kann hier unmittelbar zu einer Bedämpfung der auftretenden Schwingungen an der Schwungmasse führen, da bei Übergang der Schwingungen vom Metallwerkstoff in den dauerelastischen Werkstoff eine stärkere Dämpfung stattfinden kann.
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Sind die Schlitze, Fugen und/oder Auslassungen zumindest teilweise vom Rand her nach innen verlaufend vorgesehen, können Schwingungen im Außenbereich der kreisförmigen Schwungmasse besonders effektiv unterdrückt werden, da die Schwingungsamplituden häufig im radialen äußeren Bereich der Schwungmasse besonders groß sind.
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Darüber hinaus kann eine Schwingungsbedämpfung auch dadurch erreicht werden, dass die Schwungmasse aus einem ersten Metallwerkstoff besteht und in der Schwungmasse Pressnieten aus einem anderen Metallwerkstoff vorgesehen sind, welche optional in den Schlitzen, Fugen oder Auslassungen angeordnet sind. Durch die Anordnung von Pressnieten kann lokal der Werkstoff unter Spannung gesetzt werden, so dass aufgrund der veränderten mechanischen Eigenschaften der verspannten bzw. vorgespannten Bereiche eine starke Schwingungsbedämpfung erzielt wird. Darüber hinaus werden Schwingungen an den eingesetzten Pressnieten gebrochen bzw. stark gedämpft.
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Typischerweise weisen die Schlitze, Fugen oder Auslassungen gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung eine Breite von 0,05 mm bis 0,5 mm auf. Bei dieser Größe der Auslassungen wurde festgestellt, dass nur sehr geringe Auswirkungen auf die Gesamtfestigkeit der Schwungmasse und damit der dauerhaften Stabilität der Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie vorhanden sind.
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Sind gemäß einer nächsten Ausführungsform der Vorrichtung die Fugen, Schlitze oder Auslassungen wellen- und/oder mäanderförmig ausgebildet, können die in der Schwungmasse entstehenden Schwingungen ebenfalls sehr effektiv gedämpft werden. Mäander- und/oder wellenförmige Strukturen sind in der Lage durch destruktive Interferenz Schwingungen stark zu bedämpfen bzw. Zum Teil auszulöschen. Hierdurch wird dem Aufbau von stehenden Wellen in der Schwungmasse effektiv entgegengewirkt, ohne dass eine starke Beeinträchtigung der Festigkeit und damit der Stabilität der Schwungsmasse hingenommen werden muss.
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Die Fugen oder Schlitze und insbesondere Auslassungen sind durch Laserbeschnitt hergestellt. Der Laserbeschnitt hat sehr geringe Auswirkungen auf das umliegende Material und kann besonders präzise Fugen, Schlitze oder Auslassungen in Form von Ornamenten in einen Metallwerkstoff einbringen.
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Um lokal besonders scharf abgegrenzte gehärtete Bereiche vorzusehen, sind die lokal gehärteten Bereiche lasergehärtet. Der abrupte Übergang der Materialeigenschaften vom nicht gehärteten in den gehärteten Bereich, welcher durch das Laserhärten erreicht wird, verhält sich nahezu identisch zu Schlitzen oder Auslassungen, da auch hier die entstehenden Schwingungen an dem Materialübergang reflektiert werden. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit durch eine örtlich eng begrenzte Wärmebehandlung weiche, beispielweise weich geglühte Bereiche, vorzusehen. Diese verursachen ähnlich den gehärteten Bereichen eine Dämpfung von Schwingungen in der Schwungmasse.
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Aufgrund der Möglichkeit eine besonders schwingungsarme, drehbar Schwungmasse mit möglichst geringem Gewicht aber ausreichendem Trägheitsmoment zur Verfügung zu stellen, ist die Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform bevorzugt als ein Schwungrad, ein Zweimassenschwungrad, ein Automatikschwungrad, eine Mitnehmerscheibe, ein Zahnrad eines Kraftfahrzeugs oder einer Maschine ausgebildet.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
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1, 2, 3 in einer schematischen Draufsicht drei Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie im Kraftfahrzeug-, Maschinen- oder Getriebebau und
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4 eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels aus 3 entlang der Schnittlinie I.
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1 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine Vorrichtung 1 zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie im Kraftfahrzeug, Maschinen- oder Getriebebau, welche einen Aufnahmebereich 2 zur Befestigung auf einer Drehachse aufweist und mit einer kreisförmig ausgebildeten Schwungmasse 3 ausgestattet ist. Radial außerhalb des Bereichs 2 zur Aufnahme der Drehachse sind lokal begrenzte Bereiche mit veränderten Festigkeitseigenschaften vorgesehen, welche als Schlitze 4 und als Auslassungen in Form von Ornamenten 5 ausgebildet sind. Denkbar wäre auch das Vorsehen von entsprechend angeordneten Fugen. Als Ornamente werden gemäß der vorliegenden Erfindung regelmäßige Muster angesehen, in welchen das Material, hier im vorliegenden Ausführungsbeispiel mäanderförmig und/oder wellenförmig beispielsweise unter Verwendung eines Lasers entfernt worden ist.
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Durch die Schlitze und Auslassungen in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können die bei der Drehung der Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie auftretenden Schwingungen sehr gut bedämpft werden, ohne dass die Lebensdauer oder die Festigkeit der Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie negativ beeinflusst werden. Entstehende Schwingungen können insbesondere an den Auslassungen 5 und den eingebrachten Schlitzen 4 gebrochen und damit stark gedämpft werden. Weitere Maßnahmen sind dann in diesem Fall nicht mehr notwendig. Die in 1 dargestellte Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie ist ein für ein Kraftfahrzeug vorgesehenes Schwungrad, welches aufgrund der Schwingungsbedämpfung einen geräuscharmen Einsatz ermöglicht.
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Zusätzlich sind zur Verspannung bzw. Vorspannung des in 1 dargestellten Schwungrads in den Auslassungen 5 jeweils an den Enden der Ornamente Pressnieten 6 vorgesehen, welche aus einem anderen Material als das Schwungrad selbst bestehen. Die Pressnieten 6 sind mit dem Schwungrad verpresst und führen so zu einer schwingungsbedämpfenden Verspannung bzw. Vorspannungen des Schwungrads 1. Darüber hinaus kann in den Schlitzen 4 aber auch in den Auslassungen 5 ein dauerelastisches Material vorgesehen sein, um die Schwingungen dämpfenden Eigenschaften der Schlitze 4 und der ornamentartigen Auslassungen 5 zu steigern.
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Eine weitere Möglichkeit die Schwingungen einer Vorrichtung zur Speicherung und/oder Übertragung von kinetischer Energie zu reduzieren, ist in 2 dargestellt. 2 zeigt ebenfalls ein Schwungrad 1 eines Kraftfahrzeugs, welches Bereiche 7 aufweist, die lasergehärtet sind. Auch hierdurch besteht die Möglichkeit, Schwingungen, welche sich im Schwungrad ausbilden, gezielt zu reflektieren bzw. durch Veränderung der Schwingungseigenschaften des Werkstoffs zu dämpfen. Eine dritte Möglichkeit, welche wie auch die in 2 dargestellte Maßnahme, kumulativ oder alternativ zu den in 1 dargestellten Auslassungen und Schlitzen vorgesehen sein kann, zeigt 3 in einer schematischen Draufsicht. Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Schwungrads zeigt zusätzlich Bereiche 8, in welchen die Wanddicke des Schwungrads 1 deutlich reduziert ist. Auch durch die Reduktion der Wanddicke in diesen Bereichen wird erreicht, dass Vibrationen, welche im Schwungrad erzeugt werden, aufgrund der unterschiedlichen elastischen Eigenschaften stark gedämpft werden.
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4 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 3 entlang der Schnittlinie I-I, in welcher die Drehachse 9 sowie der mit einer geringeren Wandstärke versehene Bereich 8 zu erkennen ist. Um das Trägheitsmoment des Schwungrads zu steigern, weisen die Schwungräder üblicherweise verdickte Randbereiche 10 auf, so dass die radiale Massenverteilung radial außen ein Maximum aufweist. Der verdickte Randbereich 10 ist auch in den 1, 2 und 3 schematisch angedeutet. Die daraus resultierende radiale Massenverteilung ermöglicht es, ein höheres Trägheitsmoment bei geringerem Gewicht als ohne den verdickten Randbereich bereitzustellen.
