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Die Erfindung betrifft einen Torsionsdämpfer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Kupplungsscheibe mit einem derartigen Torsionsdämpfer.
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In der
DE 35 06 350 A1 ist eine Kupplungsscheibe mit Reibeinrichtungen dargestellt. Eine der Reibeinrichtungen ist dabei zwischen einem Nabenelement und einem Deckelement angeordnet. Bei der Reibeinrichtung ist ein Reibring über eine Tellerfeder axial vorgespannt, wobei sich die Tellerfeder gegenüber dem Deckelement abstützt. Eine Relativdrehung zwischen der Nabenscheibe und dem Deckblech muss dabei ebenfalls durch Relativdrehung von Bauteilen der Reibeinrichtung ausgeglichen werden. Dabei verdrehen sich benachbarte Bauteile, wie beispielsweise Reibring und Tellerfeder, über deren Reibfläche oder Kontaktfläche gegeneinander. Diese Relativdrehung an der Tellerfeder erzeugt abrieb und verschleißt diese, wodurch eine Leistungsfähigkeit der Reibeinrichtung absinken kann.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe eine Kupplungsscheibe bereitzustellen, bei der ein Verschleiß eines Federelements für eine Reibeinrichtung möglichst gering ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kupplungsscheibe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungen der Erfindung beschrieben.
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Dabei sind erste Reibmomente, die zwischen dem Reibfederelement und seinem jeweiligen Reibpartner wirken, größer als zumindest eines der zweiten Reibmomente, welche zwischen dem zweiten Druckelement und seinem jeweiligen Reibpartner wirken.
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Hierdurch kann eine Relativdrehung zwischen dem Reibfederelement und seinen benachbart angeordneten Reibpartnern vermieden werden. Das Reibfederelement ist somit im Wesentlichen drehfest mit seinen Reibpartnern wirkverbunden, wodurch ein Abrieb vermieden und ein Verschleiß somit verringert werden kann. Ein Reibmoment zwischen zwei Reibpartnern ergibt sich hierbei aus dem mittleren Reibradius sowie einem materialabhängigen Reibwert. Eine Relativdrehung der Reibeinrichtung findet daher zwischen den zwei Reibpartnern mit dem geringsten Reibmoment statt. Ein erstes Reibmoment liegt dabei an einer Reibfläche oder Kontaktfläche zwischen dem Reibfederelement und seinem Reibpartner an, wobei das Reibfederelement mehrere Reibflächen mit verschiedenen ersten Reibmomenten aufweisen kann. Ein zweites Reibmoment liegt entsprechend an der Reibfläche zwischen dem zweiten Druckelement und einem seiner Reibpartner an, wobei auch das zweite Druckelemente mehrere Reibflächen mit verschiedenen zweiten Reibmomenten aufweisen kann. Dabei ist günstigerweise ein Wert zumindest eines der zweiten Reibmomente 10%, 20% oder 30% kleiner als ein Wert des kleinstes ersten Reibmoments. Dabei sind die zweiten Reibmomente an den Kontaktflächen oder den Reibflächen des Reibfederelements vorzugsweise größer als das erste Reibmoment zumindest einer Kontaktfläche oder Reibfläche des zweiten Druckelements.
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Die Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Kupplungsscheibe mit den Merkmalen des zweiten Patentanspruchs.
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Dabei gilt für zumindest eine Kontaktfläche oder Reibfläche des zweiten Druckelements und seinem Reibpartner bei einem mittlerem Reibradius R
2D und einem Reibwert μ
2D gegenüber jeder Kontaktfläche oder Reibfläche des Reibfederelements und seinem jeweiligen Reibpartner bei mittlerem einem Reibradius R
F und einem Reibwert μ
F die Beziehung:
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Diese Formel entspricht im Wesentlichen einer physikalisch-mathematischen Formulierung der vorigen Ausführungen. Es kann dabei ausreichend sein, wenn diese formulierte Bedingung für eine Reibfläche des zweiten Druckelements gegenüber den Reibflächen des Reibfederelements gilt, insbesondere gegenüber allen Reibflächen des Reibfederelements. Der mittlere Reibradius und der Reibwert kann dabei für jede von dem Reibfederelement mit seinem Reibpartner ausgebildete Reibfläche verschieden sein. Dies gilt ebenso für das zweite Druckelement.
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Hierdurch ist das Reibfederelement im Wesentlichen drehfest mit seinen benachbarten Elementen der Reibeinrichtung, also seinen Reibpartnern, verbunden. Der Verschleiß über Reibung an der Oberfläche des Federelements ist somit wesentlich verringert, wodurch die Lebensdauer der Reibeinrichtung erhöht ist.
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Die Reibeinrichtung umfasst vorzugsweise ein Federelement, hier Reibfederelement genannt, ein erstes Druckelement sowie ein zweites Druckelement und gegebenenfalls auch weitere Elemente, insbesondere ein drittes Druckelement. Die Elemente oder Bauteile, insbesondere die gerade genannten, sind vorzugsweise ringförmig oder scheibenförmig ausgebildet und axial zueinander angeordnet, wobei zumindest ein Teil dieser vorzugsweise flächig oder ganzflächig aneinander anliegen. Dabei sind diese Elemente günstigerweise konzentrisch zueinander angeordnet, wobei das Reibfederelement die Elemente der Reibeinrichtung gegeneinander mit einer Kraft beaufschlagt. Dabei stützt sich das Federelement vorzugsweise an einem Eingangselement oder einem Ausgangselement eines Torsionsdämpfers ab. Das Reibfederelement kann beispielsweise als Tellerfeder oder als Wellfeder ausgeführt sein. Eine solche Reibeinrichtung kann unter anderem in einem Torsionsdämpfer eines trockenen oder auch nassen Systems verwendet werden.
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Es wird vorgeschlagen, dass das Reibfederelement drehfest mit seinem jeweiligen Reibpartner verbunden ist, insbesondere reibwirksam über das erste Reibmoment.
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Das Reibfederelement führt somit gegenüber seinen Reibpartnern keine Relativdrehung aus, wodurch ein Verschleiß des Reibfederelements, insbesondere durch Abrieb an der Oberfläche, verringert ist. Die Lebensdauer der Reibeinrichtung wird dadurch verlängert.
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Günstigerweise verdreht sich das zweite Druckelement bei einer Relativdrehung zwischen dem Eingangselement und dem Ausgangselement gegenüber zumindest einem seiner Reibpartner.
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Mit besonderem Vorteil sind die Reibpartner des Reibfederelements durch das Eingangselement, das Ausgangselement und/oder das erste Druckelement ausgebildet.
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Günstigerweise sind die Reibpartner des zweiten Druckelements durch das Eingangselement, das Ausgangselement und/oder das erste Druckelement ausgebildet.
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Hierdurch kann die Reibeinrichtung mit geringer Bauteilanzahl und zudem sehr kompakt ausgeführt sein.
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Das erste Druckelement ist dabei vorzugsweise als Reibpartner für das Reibfederelement und für das zweite Druckelement ausgebildet.
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Auch hierdurch ist ein besonders einfacher und bauraumsparender Aufbau der Reibeinrichtung möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante liegt das zweite Druckelement vorzugsweise ganzflächig an seinem Reibpartner an.
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Der an dem zweiten Druckelement entstehende Verschleiß sowie der bei der Reibung entstehende Wärmeeintrag kann somit auf eine große Fläche verteilt werden. Hierdurch wird eine lange Lebensdauer ermöglicht.
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Mit besonderem Vorteil sind das Reibfederelement und / oder das erste Druckelement aus einem Metall- oder Stahlwerkstoff gebildet.
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Weiterhin ist das zweite Druckelement vorzugsweise als Kunststoffteil ausgeführt. Durch Wahl der Materialien zweier Reibpartner, kann der Reibwert definiert werden, beispielsweise durch Metall-Metall-Flächen oder Metall-Kunststoff-Flächen. Die Reibmomente lassen sich somit durch Wahl des mittleren Reibradius durch konstruktive Auslegung sowie des Reibwerts durch Materialwahl der Reibpartner beeinflussen. Hierdurch lässt sich das Verhalten der Bauteile der Reibeinrichtung bei Relativdrehung des Torsionsdämpfers entsprechend der dargelegten Ausführungen beeinflussen bzw. vorgeben.
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Es wird zudem eine Kupplungsscheibe mit einem entsprechenden Torsionsdämpfer gemäß einen der Ansprüche 1 bis 9 oder zumindest einer der vorherigen Ausführungen.
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Die erfindungsgemäße Kupplungsscheibe und der erfindungsgemäße Torsionsdämpfer werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen:
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1 Eine Kupplungsscheibe mit Reibeinrichtung im Querschnitt;
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2 eine weitere Querschnittsansicht der Kupplungsscheibe aus 1;
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3 eine vergrößerte Darstellung der Reibeinrichtung aus 2;
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4 eine weitere Reibeinrichtung in vergrößerter Ansicht.
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Die 1 und die 2 zeigen dieselbe Kupplungsscheibe 10 mit einem Torsionsdämpfer 12 im Querschnitt in verschiedenen Schnittebenen. Die Kupplungsscheibe 10 umfasst radial außen Reibbeläge 14, die an einem Eingangselement 16 festgelegt sind, insbesondere mit diesem vernietet sind. Das Eingangselement 16 ist dabei über Dämpferfederelemente 18, welche hierbei als Schraubenfedern 18 ausgebildet sind, mit einem Ausgangselement 20 wirkverbunden. Das Ausgangselement 20 ist zudem fest mit einer Nabe 22 verbunden. Eine Eingangsseite der Kupplungsscheibe 10, ausgebildet durch die Reibbeläge 14, ist über den Torsionsdämpfer 12 zur Reduzierung von Rotationsschwingungen mit einer Ausgangsseite, gebildet durch die Nabe 22, wirkverbunden. Das Eingangselement 16 und das Ausgangselement 20 sind dabei insbesondere koaxial zu einer Rotationsachse A angeordnet.
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Das Eingangselement 16 ist hierbei als Scheibenkörper 16 ausgebildet. Das Ausgangselement 20 umfasst zwei Scheibenkörper 20a, 20b, wobei die Scheibenkörper 20a, 20b über Niete 24 drehfest miteinander sowie drehfest mit einer Nabe 22 verbunden sind. Das Eingangselement 16 ist dabei axial zwischen den Scheibenkörpern 20a, 20b angeordnet und kann sich in einem begrenzten Winkel gegenüber der Nabe 24 verdrehen. Dabei weist die Kupplungsscheibe 10 ein Abstandselement 26 auf, welches als Winkelanschlag für die Relativdrehung zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 20 dient. Dadurch werden die Dämpferfederelemente 18 vor Überbelastung geschützt. In einer anderen Variante kann die Winkelbegrenzung zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 20 auch über eine Verzahnung zwischen dem Eingangselement 16 und der Nabe 22 ausgebildet sein.
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Des Weiteren weist der Torsionsdämpfer 12 eine Reibeinrichtung 28 auf, die in vergrößerter Darstellung in der 3 gezeigt ist. Dabei ist die Reibeinrichtung 28 funktional zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 20 angeordnet. Die Reibeinrichtung 28 wirkt daher bei einer Relativdrehung zwischen dem Eingangselement 16 und dem Ausgangselement 20. Die Reibeinrichtung 28 ist hierbei räumlich in einen ersten Teil 28a und in einen zweiten Teil 28b räumlich aufgeteilt. Der erste Teil 28a der Reibeinrichtung 28 ist axial zwischen dem Eingangselement 16 sowie dem Scheibenkörper 20a angeordnet, wobei der zweite Teil 28b der Reibeinrichtung 28 axial zwischen dem Eingangselement 16 sowie dem Scheibenkörper 20b des Ausgangselements 20 angeordnet ist.
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Der erste Teil 28a der Reibeinrichtung 28 umfasst zwei Reibelemente 36, wobei der zweite Teil 28b der Reibeinrichtung 28 ein Reibfederelement 30, welches als Tellerfeder 30 ausgeführt ist, sowie ein erstes Druckelement 32 und ein zweites Druckelement 34 aufweist. Die Elemente oder Bauteile der Reibeinrichtung sind dabei ebenfalls koaxial zu der Rotationsachse A angeordnet. Dabei stützt sich das Reibfederelement 30 axial an dem Scheibenkörper 20b ab, um die Elemente oder Bauteile der Reibeinrichtung 28 axial mit einer Kraft zu beaufschlagen. Das Reibfederelement 30 ist dabei in dem zweiten Teil 28b der Reibeinrichtung 28 angeordnet. Die von dem Reibfederelement 30 aufgebrachte Kraft wirkt über das Eingangselement 16, welches an der Nabe 22 axial beweglich angeordnet ist, auch auf die Reibelemente 36 des ersten Teils 28a der Reibeinrichtung 28.
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Die Ausführung der zweigeteilten Reibeinrichtung 28 ist hierbei lediglich konstruktiver Natur und somit auf dieses Ausführungsbeispiel bezogen. Die Reibeinrichtung 28 kann daher auch als räumliche Einheit ausgebildet sein, beispielsweise nur den zweiten Teil 28b umfassend. Im Weiteren soll daher die Ausführung des zweiten Anteils 28b der Reibeinrichtung 28 genauer ausgeführt werden, welche den Erfindungsgedanken umfasst.
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Das Abstandselement 26 durchgreift zudem Aussparungen 40 des Reibfederelements 30, des ersten Druckelements 32 und des zweiten Druckelements 34. Dieses Abstandselement 26 fungiert bei dieser Ausführung der Kupplungsscheibe 10 als Anschlag oder Blockierschutz, wobei durch den kompakten Aufbau der Kupplungsscheibe 10 auch eine Verdrehsicherung zwischen einer Teilanzahl von Elementen der Reibeinrichtung, hier beispielsweise dem Reibfederelement 30 und dem ersten Druckelement 32, erreicht werden kann. Diese Verdrehsicherung durch das Abstandselement 26 ist für die Reibeinrichtung 28 optional.
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Im Folgenden werden die Bezugsziffern jeweils zweier Reibpartner unter Zunahme eines Buchstaben zur Kennzeichnung zugehöriger Reibflächen, Reibwerte, mittlerer Reibraden sowie Reibmomenten verwendet. F1634 bezeichnet beispielsweise die Kontaktfläche F zwischen dem Eingangselement 16 und dem zweiten Druckelement 34.
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In axialer Reihenfolge sind das Eingangselement 16, das zweite Druckelement 34, das erste Druckelement 32, das Reibfederelement 30 und der Scheibenkörper 20b benachbart zueinander angeordnet. wobei das Eingangselement 16 flächig oder ganzflächig über die Reibfläche F1634 an dem zweiten Druckelement 34 und das zweite Druckelement 34 über die Reibfläche F3432 ebenfalls flächig oder ganzflächig an dem ersten Druckelement 32 anliegt. Hierdurch bilden diese Elemente der Reibeinrichtung 28 untereinander relativ große Reibflächen F1634, F3432 aus. Die Reibflächen F1634, F3432 oder Kontaktflächen sind hierbei insbesondere durch die axialseitigen Ringflächen der Elemente selbst ausgebildet.
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Das Reibfederelement 30 liegt an dem ersten Druckelement 32 und dem Scheibenkörper 20b über Reiblinien bzw. eine Kontaktlinien oder eine relativ kleine Reibflächen F3230 und F3020 an. Die kleinen Reibflächen F3230, F3020 sind dabei durch einen Teil der axialseitigen Ringfläche ausgebildet. Die Ausdehnung der kleinen Reibfläche in lateraler Richtung kann dabei an dem Reibfederelement 30 weniger als 20% oder 30% der lateralen Ausdehnung des Reibfederelements 30 selbst entsprechen. Zudem sind bei Verwendung einer Tellerfeder 30 die Reibflächen F3230, F3020 gegenüber dem ersten Druckelement 32 oder dem Scheibenkörper 20b in einem radial inneren oder radial äußeren Bereich des Reibfederelements 30 ausgebildet.
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An einer Reibflächen F zweier benachbarter Reibpartner 16, 20b, 30, 32, 34 der Reibeinrichtung 28 kann jeweils ein mittlerer Reibradius R sowie ein Reibwert µ bestimmt werden. Der mittlere Reibradius teilt hierbei die Reibfläche zu gleichen Flächenteilen auf. Der Reibwert µ hängt dabei von den verwendeten Materialien der Reibpartner ab. Aus dem Reibwert µ und dem mittleren Reibradius R lässt sich ein Reibmoment M ermitteln, welches mit steigendem Reibwert µ sowie mit steigendem mittleren Reibradius R ansteigt. Die mittleren Reibradien R sind in der 3 und 4 schematisch eingezeichnet.
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Die mittleren Reibradien R1634, R3432 der Reibflächen F1634, F3432 des zweiten Druckelements 34 sind im Wesentlichen gleich groß. Der mittlere Reibradius R3230 der Reibfläche F3230 zwischen dem ersten Druckelement 32 und dem Reibfederelement 30 ist kleiner als die mittleren Reibradien R1634 und R3432 des zweiten Druckelements 34. Zudem ist der mittlere Reibradius der R3020 der Reibfläche F3020 zwischen dem Reibfederelement 30 und dem Scheibenkörper 20b größer als die mittleren Reibradien R1634 und R3432.
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Das zweite Druckelement 34 ist hierbei vorzugsweise als Kunststoffteil ausgeführt. Das Eingangselement 16, das erste Druckelement 32, das Reibfederelement 30 sowie der Scheibenkörper 20b sind vorzugsweise als Stahlteile ausgeführt, gegebenenfalls auch durch verschiedene Stahllegierungen. Reibwerte µ1634, µ3432 an der Reibfläche zwischen dem zweiten Druckelement 34 sowie seinen Reibpartnern, hier das erste Druckelement 32 und das Eingangselement 16, sind aufgrund der Kunststoffmetallpaarung relativ gering, beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 bis 0,6. Die Reibwerte µ3230, µ3020 zwischen dem ersten Druckelement 32 und dem Reibfederelement 30 sowie dem zweiten Druckelement 30 und dem Scheibenkörper 20b entsprechen bei einer Metallmetallpaarung in etwa der Größenordnung 0,6 bis 0,8 und sind daher größer als die Reibwerte µ1634, µ3432. Die Größenordnungen dieser Reibwerte entsprechen insbesondere einer trockenlaufenden Reibeinrichtung. Bei einem nasslaufenden System, insbesondere bei einer nasslaufenden Reibeinrichtung, können die Reibwerte andere Größenordnungen aufweisen können.
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Wie bereits erwähnt, kann aus den mittleren Reibradien R sowie dem entsprechenden Reibwert µ der Reibflächenpaarung ein zugehöriges Reibmoment M bestimmt werden. Die Reibmomente M3230 und M3020 der Reibflächen F3230 und F3020 des Reibfederelements 30 werden als erste Reibmomente M3230 und M3020 bezeichnet. Die Reibmomente M1634 und M3432 der Reibflächen F1634 und F3432 des zweiten Druckelements 34 werden als zweite Reibmomente M1634 und M3432 bezeichnet. Die ersten Reibmomente M3230 und M3020 können dabei verschiedene Werte aufweisen. Selbiges gilt auch für die zweiten Reibmomente M1634 und M3432.
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Die mittleren Reibradien R3230 und R3020 entsprechen hierbei dem mittleren Reibradius RF des Reibfederelements aus der allgemeinen Beschreibung. Selbiges gilt für die mittleren Reibradien R1634 und R3432 in Verbindung mit dem mittleren Reibradius RF für das zweite Druckelement aus der allgemeinen Beschreibung. Analog ist dies auch für μ2D in Verbindung mit µ1634 und µ3432 sowie für μF in Verbindung mit µ3230 und µ3020 übertragbar.
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Hier sind die Reibradien R und Reibwerte µ der Flächen so gewählt, dass eines der zweiten Reibmomente M1634 und M3432 kleiner ist als jedes der ersten Reibmomente M3230 und M3020, vorzugsweise mindestens 10%, 20% oder 30% kleiner.
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Hierdurch findet bei einer Relativdrehung zwischen dem Eingangselement 16 und dem Scheibenkörper 20b, eine Relativdrehung in der Reibeinrichtung über eine Reibfläche des zweiten Druckelements 34 statt. Die Relativdrehung wird dabei insbesondere über die Reibfläche F mit geringstem Reibmoment M ausgeführt. Dies hat zur Folge, dass sich das Eingangselement 16 und das zweite Druckelement 34 über die Reibfläche F1634 und / oder das zweite Druckelement 34 und das erste Druckelement 32 über die Reibfläche F3432 zueinander verdrehen. Das Reibfederelement 30 ist dementgegen über die größeren Reibmomente M3230, M3020 seiner Reibflächen F3230, F3020 drehfest mit dem ersten Druckelement 32 und ebenso drehfest mit dem Scheibenkörper 20b wirkverbunden.
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In einer mathematisch-physikalischen und formalen Darstellungsvariante gilt für zumindest eine der Reibflächen F1634, F3432 des zweiten Druckelements
34 gegenüber den beiden Reibflächen F3230, F3020 Reibfederelements
30 folgender Zusammenhang.
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Das Reibfederelement 30 kann alternativ als Wellfeder ausgeführt sein, dadurch ändern sich unter anderem die zugehörigen mittleren Reibradien. Zudem wirkt in dieser Ausführungsvariante das erste Druckelement 32 als Reibpartner für das Reibfederelement 30 sowie für das zweite Druckelement 34.
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In der 4 ist eine weitere Variante der Reibeinrichtung 28 dargestellt. Die Reibeinrichtung 28, hier der Teil 28a, entspricht im Wesentlichen den Ausführungen zu den 1 bis 3. Hierbei ist allerdings ein drittes Druckelement 38 axial zwischen dem zweiten Druckelement 34 sowie dem Eingangselement 16 angeordnet. Dieses dritte Druckelement 38 kann insbesondere dazu verwendet werden, um an der Reibfläche zwischen dem zweiten Druckelement 34 sowie dem dritten Druckelement 38 einen definierten Reibwert und damit einen definiertes Reibmoment zu erzeugen. Dabei kann der Reibwert µ3834 durch entsprechende Materialwahl des dritten Druckelements 38 sowie durch konstruktive Ausführung der mittlere Reibradius R3834 entsprechend gewählt werden, um ein bestimmtes Reibmoment M3834 an der Reibfläche F3834 zu erhalten.
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Eine derartige Reibeinrichtung kann unter anderem bei trockenlaufenden sowie bei nasslaufenden Kupplungsscheiben, insbesondere Torsionsdämpfern, verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kupplungsscheibe
- 12
- Torsionsdämpfer
- 14
- Reibbelag
- 16
- Eingangselement / Scheibenkörper
- 18
- Dämpferfederelement / Schraubenfeder
- 20a, b
- Ausgangselement / Scheibenkörper
- 22
- Nabe
- 24
- Niet
- 26
- Abstandselement
- 28
- Reibeinrichtung
- 28a, b
- Teil der Reibeinrichtung
- 30
- Reibfederelement / Tellerfeder
- 32
- erstes Druckelement
- 34
- zweites Druckelement
- 36
- Reibelement
- 38
- drittes Druckelement
- 40
- Aussparung
- A
- Rotationsachse
- R1634, R3432, R3020, R3230, R3834
- mittlerer Reibradius
- M3020, M3230
- erstes Reibmoment
- M1634, M3432, M3834
- zweites Reibmoment
- µ1634, µ3432, µ3020, µ3230, µ3834
- Reibwert
- R2D, RF
- mittlerer Reibradius
- μ2D, μF
- Reibwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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