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Die Erfindung betrifft einen Drehschwingungsdämpfer, der als ein Zweimassenschwungrad aufgebaut und in einem Antriebsstrang von einem brennkraftmaschinengetriebenen Kraftfahrzeug eingesetzt ist, umfassend ein Eingangsteil und ein Ausgangsteil, die bezüglich einer Drehachse relativ zueinander begrenzt verdrehbar angeordnet sind, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen treten aufgrund der intermittierenden Arbeitsweise der Brennkraftmaschine häufig Drehzahlschwankungen auf, die zu Drehschwingungen führen. Zur Dämpfung der Drehschwingungen werden zwischen der Brennkraftmaschine und dem Getriebeeingang als Drehschwingungsdämpfer sogenannte Zweimassenschwungräder (ZMS) eingesetzt. Die Drehschwingungsdämpfer umfassen ein mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenes Eingangssteil bzw. eine Primärschwungmasse und ein als Sekundärschwungmasse vorgesehenes Ausgangsteil. Diese Bauteile sind begrenzt gegeneinander verdrehbar um die Drehachse des Drehschwingungsdämpfers gelagert. Zwischen Eingangs- und Ausgangsteil sind in Umfangsrichtung wirksame, eingangsseitig und ausgangsseitig eingespannte, über den Umfang verteilt angeordnete, als Schraubendruckfedern ausgebildete Bogenfedern vorgesehen, die auftretende Drehschwingungen dämpfen.
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Im Betriebszustand des Fahrzeugs können in einzelnen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine, insbesondere bedingt durch die Anzahl der Zylinder und dem Brennverfahren, Diesel- oder Otto-Prinzip, der Brennkraftmaschine die Drehschwingungen auch kurzzeitige Drehmomentstöße auf den Drehschwingungsdämpfer übertragen. Bei hohen Drehmomentspitzen bzw. Drehmomentstößen, sogenannten Impacts, besteht die Gefahr, dass die Bogenfedern auf Block bzw. eine Blockanlage gehen, wobei dieses Anschlagen zu Schäden führt, verbunden mit einer nachteiligen unkomfortablen Geräuschentwicklung.
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Die
DE 10 2008 005 140 A1 zeigt einen Drehschwingungsdämpfer mit einem antriebsseitigen und einem abtriebsseitigen Übertragungselement, die entgegen einer zwischen diesen vorgesehenen Dämpfungseinrichtung mit in Umfangsrichtung wirksamen Bogenfedern zueinander relativ verdrehbar sind. Dabei weisen die Übertragungselemente Mitnehmer zur Beaufschlagung der Bogenfeder auf sowie für ein mit der Bogenfeder zusammenwirkendes, Energie absorbierendes Begrenzungselement, das eine Relativverdrehung zwischen den Übertragungselementen begrenzt.
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Aus der
DE 10 2009 005 073 A1 und der
DE 10 2009 032 334 A1 sind Drehschwingungsdämpfer bekannt, die zur Abstützung von Federenden der Bogenfederanordnung jeweils Abstützelemente ausweisen, an denen sowohl die äußere als auch die innere Bogenfeder der Bogenfederanordnung abgestützt sind. Dabei sind die Federenden in unterschiedlichen Abstützebenen formschlüssig an den Abstützelementen fixiert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehschwingungsdämpfer baulich und/oder funktional mittels einer einfach aufgebauten, kostengünstigen Maßnahme zu verbessern, um insbesondere die in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs auftretenden Drehmomentspitzen bzw. Drehmomentstöße zu unterbinden.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass jede Bogenfederanordnung des als Zweimassenschwungrad aufgebauten Drehschwingungsdämpfers zumindest mit einem Federende mittelbar über ein Zwischenelement an dem zugehörigen Abstützabschnitt abgestützt ist. Dabei schließt das Zwischenelement ein Federmittel ein, dessen Federsteifigkeit oder Federkonstante die gemeinsame Federsteifigkeit zugehöriger weiterer als Bogenfeder ausgebildeten Federmittel der Bogenfederanordnung übertrifft.
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Durch diese konstruktive Maßnahme stellt sich aufgrund der zwei unterschiedlichen Federsteifigkeiten der Bogenfederanordnung und des Federmittels von dem zugehörigen Zwischenelement eine vorteilhafte zweistufige Dämpfung für das Zweimassenschwungrad ein. Diese verbesserte Dämpfung führt auch bei hohen Drehmomentspitzen, sogenannten Impacts, nicht zu einem nachteiligen Blockanschlag der Bogenfedern an dem zugehörigen Abstützabschnitt des Eingangs- oder Ausgangsteils von dem Zweimassenschwungrad.
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Ein im Betriebszustand auftretender Drehmomentstoß führte bei bisherigen Bogenfedern bei Erreichen eines Kontaktwinkels zu einer Blockanlage der Bogenfeder an dem zugehörigen Abstützabschnitt. Damit verbunden war eine weitestgehend ungedämpfte Übertragung von Drehmomentspitzen auf Komponenten, die im Antriebsstrang dem Zweimassenschwungrad nachgeordnet sind. Aufgrund der wirksamen Vermeidung von den nachteiligen, zu Schäden führenden Blockanschlägen der Bogenfederanordnung verbessert das Zwischenelement das Dämpfungsverhalten.
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Mittels der Erfindung wird ein baulich und/oder funktional verbesserter Drehschwingungsdämpfer bereitgestellt, der eine Funktionsbeeinträchtigung aufgrund stoßartiger Spitzenmomente bzw. Drehmomentspitzen wirksam unterbindet. Das Zwischenelement ermöglicht es vorteilhaft, einen technisch leistungsfähigen Drehschwingungsdämpfer bzw. ein Zweimassenschwungrad zu realisieren. Die Funktion des Zwischenelementes verbessert bei auftretenden Drehmomentstößen die Dauerfestigkeit der Bogenfederanordnung und schützt diese sowie dem Zweimassenschwungrad im Drehmomentfluss nachgeordnete Komponenten wirksam vor Beschädigungen. Weiterhin gewährleistet die erfindungsgemäße Maßnahme eine erhöhte Betriebssicherheit und Lebensdauer des Zweimassenschwungrades, reduziert die Geräuschentwicklung und verbessert weiterhin den Fahrkomfort des Fahrzeugs. Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Einrichtung, die für die Bogenfederanordnung ein Zwischenelement mit weitestgehend scheibenartigen Bauteilen vorsieht, einfach aufgebaut und kostengünstig darstellbar.
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Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich insbesondere zum Einsatz von Zweimassenschwungrädern, die für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen bestückt sind, die einen verkleinerten Verbrennungsraum bzw. Hubraum aufweisen. Im aktuellen Trend, dem sogenannten downsizing von Brennkraftmaschinen, werden verstärkt aufgeladene Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern eingesetzt, deren Schwingungsverhalten häufige Drehmomentstöße einschließt. Derartige Antriebsstränge erfordern eine angepasste hohe Dämpfungsleistung des Zweimassenschwungrades, wozu sich insbesondere das erfindungsgemäße Konzept eignet. Durch die Kombination der voneinander abweichenden Elastizitäten der Federn bzw. Federkonstanten der Erfindung können auch Drehschwingungen mit Drehmomentstößen, die von einer Brennkraftmaschine mit drei Zylindern in das Zweimassenschwungrad geleitetet werden, unterbunden, zumindest aber wirksam gedämpft werden, bevor diese über eine Kupplungsvorrichtung das Schaltgetriebe beaufschlagen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Zwischenelement ein als Tellerfeder ausgebildetes Federmittel, das gemeinsam mit einer Federsitzscheibe an der Bogenfederanordnung abgestützt ist. Vorzugsweise ist dazu eine weitestgehend topfartig gestaltete Tellerfeder vorgesehen, die einen mittigen, zentrischen Boden aufweist, der außenseitig von einer abgewinkelten Randzone umschlossen ist. Im Einbauzustand ist die topfartig ausgeführte Tellerfeder über die äußere Randzone an dem für die Bogenfederanordnung bestimmten Abstützabschnitt abgestützt.
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Für eine optimale Auslegung der Federsteifigkeit bzw. Steifigkeit des Zweimassenschwungrades (ZMS), dessen Bogenfederanordnung in Reihe geschaltete, als Druckfedern ausgebildete Bogenfedern sowie eine Tellerfeder umfasst, ist nachfolgende Beziehung vorgesehen: 1/K = 1/ka + 1/kc
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Dabei entspricht:
- K
- = Steifigkeit des Zweimassenschwungrades
- ka
- = Steifigkeit der Bogenfeder
- kc
- = Steifigkeit der Tellerfeder
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Die Steifigkeit (kc) der Tellerfeder übertrifft dabei deutlich die Steifigkeit (ka) der Bogenfeder.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Bogenfederanordnung zwei als Schraubenfeder ausgeführte Bogenfedern. Eine äußere Schraubenfeder umschließt dabei eine innere Schraubenfeder, wobei der Bogenfederanordnung zumindest an einem Ende ein erfindungsgemäßes Zwischenelement zugeordnet ist. Vorzugsweise sind alle Enden beider Bogenfederanordnungen des Zweimassenschwungrades unmittelbar oder mittelbar an dem zugehörigen Zwischenelement abgestützt.
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Ferner ist erfindungsgemäß zur Ausgestaltung des Zwischenelementes vorgesehen, die Tellerfeder verliergesichert an der Federsitzscheibe zu befestigen, wobei die Federsitzscheibe wiederum mit einem Ende an einer Bogenfeder fixiert ist. Dazu ist die bevorzugt aus einem Federstahl hergestellte, topfartige Tellerfeder mittels einer Clipverbindung oder einem Sicherungsstift an der Federsitzscheibe befestigt. Vorteilhaft eignet sich dazu ein zentral in die Tellerfeder eingesetzter Clip, der in eine korrespondierende Öffnung der Federsitzscheibe kraft- und formschlüssig eingepasst ist.
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Die Tellerfeder aus Federstahl ist bevorzugt mit einer Federsitzscheibe aus einem Stahlblech kombiniert. Dazu ist die Federsitzscheibe beispielsweise durch ein Tiefziehverfahren spanlos aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Zur Verstärkung der Federsitzscheibe kann diese beispielsweise lokale oder umlaufende Sicken einschließen.
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Über lokal angeordnete Lappen der Federsitzscheibe, die eine Federwindung am Federende einer Bogenfeder der Bogenfederanordnung umschließen oder an dieser verklinkt sind, kann die Federsitzscheibe befestigt werden. Alternativ dazu bietet sich eine stoffschlüssige Befestigung an, bei der die Federsitzscheibe beispielsweise durch eine Schweißverbindung an einer Bogenfeder lagefixiert ist.
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Zur Befestigung der Federsitzscheibe eignen sich abgekantete lokale Randbereiche oder vorstehende Lappen, die umgebogen eine Federwindung des Federendes umgreifen. Eine exakte Lagepositionierung oder Lagefixierung der Tellerfeder des Zwischenelementes an dem zugehörigen Abstützabschnitt kann über lokal vorstehende Ansätze oder eine umlaufende Wulst erfolgen, an denen die Tellerfeder zentriert geführt und gegen ein radiales Verrutschen gesichert ist.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Diagramme ein Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Es zeigen:
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1 in einer Teilansicht ein erfindungsgemäß ausgebildetes Zweimassenschwungrad;
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2 einen Ausschnitt des Zweimassenschwungrades gemäß 1 in einer vergrößerten Abbildung;
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3 einen graphischen Drehmomentverlauf eines Zweimassenschwungrades bei einer Relativverdrehung zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil;
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4 graphisch dargestellte Drehmomentspitzen, die sich bei einer Blockanlage der Bogenfedern im Zweimassenschwungrad einstellen;
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5 einen Drehmomentverlauf eines Zweimassenschwungrades mit gedämpfter Bogenfeder; und
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6 den graphischen Drehmomentverlauf des erfindungsgemäß aufgebauten Zweimassenschwungrades.
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Der in 1 teilweise dargestellte, als Zweimassenschwungrad 1 ausgebildete Drehschwingungsdämpfer besitzt ein antriebsseitiges Eingangsteil 2, das eine Primärschwungmasse 3 umfasst sowie ein abtriebsseitiges Ausgangsteil 4 mit zugehöriger Sekundärschwungmasse 5. Das Eingangsteil 2 und das Ausgangsteil 4 sind bezüglich einer Drehachse 6 relativ zueinander begrenzt verdrehbar. Das Ausgangsteil 4 ist in bekannter Weise über eine nicht näher dargestellte Reibungskupplung, deren Kupplungsscheibe einer Getriebeeingangswelle zugeordnet ist, mit einem Getriebe verbindbar. In einem Ringraum 7 sind als Energiespeicher zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Bogenfederanordnungen 8 eingebracht. Dabei umfasst jede Bogenfederanordnung 8 eine als Schraubendruckfeder ausgeführte Außenfeder 9, die jeweils eine Schraubendruckfeder als Innenfeder 10 umschließt. Weiterhin umfasst jede Bogenfederanordnung 8 zumindest an einem Ende ein Zwischenelement 12, dessen zugehöriges, als Tellerfeder 13 gestaltetes Federmittel eine Federkonstante aufweist, die eine gemeinsame Federkonstante von der Außenfeder 9 und der Innenfeder 10 der zugehörigen Bogenfederanordnung 8 übertrifft. Beide Bogenfederanordnungen 8 sind direkt oder indirekt sowohl mit dem Eingangsteil 2 als auch mit dem Ausgangsteil 4 verbunden. Gemäß 1 greift ein mit der Sekundärschwungmasse 5 und folglich mit dem Ausgangsteil 4 verbundener, radial ausgerichteter Mitnehmer 11 in den Ringraum 7 ein, dem beidseitig ein Zwischenelement 12 zugeordnet ist. Die 1 zeigt das Zweimassenschwungrad 1 in einem Ruhezustand, bei dem beide Bogenfederanordnungen 8 ungespannt über die Tellerfeder 12 des Zwischenelementes 12 an dem Mitnehmer 11 abgestützt sind. Im Betriebszustand bewirken von einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) ausgelöste, das Zweimassenschwungrad 1 beaufschlagende Drehschwingungen eine Relativverdrehung zwischen dem Eingangsteil 2 und dem Ausgangsteil 4, wobei diese Drehbewegungen von den Bogenfederanordnungen 8 gedämpft werden. Dabei kommt es zu einem hochfrequenten Wechsel zwischen einer vorgespannten und entspannten Anlage des Zwischenelementes 12 an dem Mitnehmer 11. Sobald im Betriebszustand auftretende Drehmomentspitzen bzw. ein Drehmomentstoß die gemeinsame Federkonstante der Außenfeder 9 und Innenfeder 10 der Bogenfederanordnung 8 übersteigt, kann eine Dämpfung der relativen Verdrehung zwischen dem Eingangsteil 2 und dem Ausgangsteil 4 über das Zwischenelement 12 erfolgen.
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In 2 ist ein Ausschnitt des Zweimassenschwungrades 1 gemäß 1 in einer vergrößerten Abbildung dargestellt, die insbesondere den Aufbau des Zwischenelementes 12 verdeutlicht. Die Tellerfeder 13 des Zwischenelementes 12 bildet einen zentrischen Boden 16, der außenseitig von einer umlaufenden, in Richtung des Mitnehmers 11 abgewinkelten Randzone 17 umschlossen ist, über die sich die Tellerfeder 13 an einem Abstützabschnitt 18 des Mitnehmers 11 abstützt. Das Zwischenelement 12 umfasst neben der Tellerfeder 13 eine Federsitzscheibe 14, wobei diese Bauteile zur Bildung einer Baueinheit beispielsweise mittels einer Clipverbindung 15 zusammengefügt sind. Dazu ist ein Clip in zentrische Bohrungen der Tellerfeder 13 und der Federsitzscheibe 14 eingesetzt und vorzugsweise durch Verprägen form- und/oder kraftschlüssig gesichert. Das Zwischenelement 12 ist vorzugsweise verliergesichert endseitig an der Bogenfederanordnung 8 befestigt. Dies kann beispielsweise über lokal angeordnete Lappen der Federsitzscheibe 14 erfolgen, die eine Federwindung am Federende der inneren oder äußeren Bogenfeder 9, 10 umschließen oder an dieser verklinkt sind. Alternativ kann die Federsitzscheibe 14 stoffschlüssig durch eine Schweißung an einer Bogenfeder lagefixiert werden. Die vorzugsweise spanlos, mittels eines Tiefziehverfahrens aus einem Stahlblech hergestellte Federsitzscheibe 14 kann zur Verstärkung und gleichzeitig zur Lagepositionierung eine in Richtung der Bogenfeder ausgerichtete Sicke einschließen. Zur Zentrierung bzw. zur Lagepositionierung des Zwischenelementes 12 weist der Abstützabschnitt 18 lokal axial vorstehende Ansätze oder eine umlaufende Wulst 19 auf, an der die Tellerfeder 13 gegen Verrutschen in Umfangsrichtung gesichert ist.
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Die 3 zeigt einen graphischen Drehmomentverlauf des als Zweimassenschwungrad 1 aufgebauten Drehschwingungsdämpfers in Abhängigkeit des Verdrehwinkels zwischen dem Eingangsteil 2 und dem Ausgangsteil 4. Dabei ist auf der Ordinate das Moment (Nm) und auf der Abszisse der Verdrehwinkel (°) aufgetragen. Der Drehmomentverlauf gemäß 1 stellt sich während einer typischen Betriebsphase im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs ein, dabei zeigt ein Abschnitt A eine Zugphase mit positivem Momentenverlauf sowie eine Schubphase im Abschnitt B mit negativem Momentenverlauf, zwischen denen sich nach einer Schubumkehr ein 0-Durchgang einstellt. Gemäß 3 endet die Relativverdrehung zwischen dem Eingangsteil 2 und dem Ausgangsteil 4 bei einem Kontaktwinkel K, der sich bei ca. +50° oder –50° einstellt. Bei Erreichen einer Blockanlage im Bereich des Kontaktwinkels K ist die Bogenfeder bzw. Bogenfederanordnung nicht in der Lage, kinetische Energie in potentielle Energie umzuwandeln, so dass eine weitere von einer Brennkraftmaschine in das Zweimassenschwungrad 1 eingeleitete kinetische Energie einen Drehmomentstoß oder ein Schlagmoment auslöst.
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In 4 ist der Verlauf von Drehmomentspitzen, sogenannten Impacts, gezeigt, die sich bei Drehmomentstößen, einem Ende der Relativverdrehung zwischen dem Eingangsteil 2 und dem Ausgangsteil 4 einstellen. In dem Diagramm ist auf der Ordinate die Winkelbeschleunigung (rad/S2) und auf der Abszisse die Zeit (Sec) aufgetragen. Dabei zeigt P einen von der Primärschwungmasse 3 bzw. dem Eingangsteil 2 ausgelösten Kurvenverlauf und S einen von der Sekundärmasse 5 bzw. dem Ausgangsteil 4 beeinflussten Kurvenverlauf.
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In 5 ist ein weiterer Drehmomentverlauf des Zweimassenschwungrades 1 in Abhängigkeit des Verdrehwinkels zwischen dem Eingangsteil 2 und dem Ausgangsteil 4 dargestellt. Im Unterschied zu 3 zeigt 5 eine Kennlinie für eine gedämpfte Bogenfeder, bei der nach Erreichen des Kontaktwinkels K die Bogenfeder begrenzt kinetische Energie in potentielle Energie umwandelt.
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Die 6 zeigt in einem weiteren Diagramm den graphischen Drehmomentverlauf des erfindungsgemäß aufgebauten Zweimassenschwungrades 1, dessen Bogenfederanordnung 8 ein Zwischenelement 12 einschließt. Aufgrund der voneinander abweichenden Federsteifigkeit der Tellerfeder 13 des Zwischenelementes 12 und der Bogenfederanordnung 8 ergeben sich zwei definierte Dämpfungsbereiche D1 der Bogenfeder und D2 der Tellerfeder. Die höhere Steifigkeit der Tellerfeder 13 führt zu einem vergrößerten Winkelbereich, indem kinetische Energie in potentielle Energie umgewandelt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zweimassenschwungrad
- 2
- Eingangsteil
- 3
- Primärschwungmasse
- 4
- Ausgangsteil
- 5
- Sekundärschwungmasse
- 6
- Drehachse
- 7
- Ringraum
- 8
- Bogenfederanordnung
- 9
- Außenfeder
- 10
- Innenfeder
- 11
- Mitnehmer
- 12
- Zwischenelement
- 13
- Tellerfeder
- 14
- Federsitzscheibe
- 15
- Clipverbindung
- 16
- Boden
- 17
- Randzone
- 18
- Abstützabschnitt
- 19
- Wulst
- A
- Zugphase
- B
- Schubphase
- D1
- Dämpfungsbereich
- D2
- Dämpfungsbereich
- K
- Kontaktwinkel
- P
- Primärschwungmasse (Kurvenverlauf)
- S
- Sekundärmasse (Kurvenverlauf)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008005140 A1 [0004]
- DE 102009005073 A1 [0005]
- DE 102009032334 A1 [0005]
