DE102017123619A1

DE102017123619A1 - Biegefeder

Info

Publication number: DE102017123619A1
Application number: DE102017123619.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel Sappok; Bernhard Röhrig; Christian Schindler; Eugen Trieber; Peter Wohlschlegel
Original assignee: Vibracoustic SE
Current assignee: Vibracoustic SE
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2019-04-11
Anticipated expiration: 2037-10-12
Also published as: WO2019072680A1; DE102017123619B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Biegefeder (10), insbesondere eine Biegedrehfeder, zum Übertragen von Drehmomenten, umfassend einen schraubenförmig gewundenen Federkörper (11), der einen ersten Endabschnitt (12) und einen zweiten Endabschnitt (13) aufweist, die durch eine Vielzahl von Windungen (14) miteinander verbunden sind, wobei wenigstens einer der Endabschnitte (12, 13) durch Materialabtrag bearbeitet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Biegefeder, insbesondere eine Biegedrehfeder, zum Übertragen von Drehmomenten.
Derartige Biegefedern werden etwa bei Riemenscheiben, insbesondere bei entkoppelten Riemenscheiben, verbaut, welche im Fahrzeugbau insbesondere Verwendung bei Riemenstart-, Boost- oder Rekuperationsvorgängen mit hohem Lastmoment - häufig in Kombination mit einem 48 V-Bordnetz - finden.
Riemenscheiben werden allgemein verwendet, um eine Rotationsbewegung einer Welle auf einen Riemen zu übertragen. Entkoppelte Riemenscheiben werden mit elastischen Federkörpern versehen, welche die Übertragung von Torsionsschwingungen der Welle auf den Riemen abschwächen oder unterbinden. Den Federkörpern wird eine Entkopplungsfunktion zuteil. Beispielsweise werden entkoppelte Riemenscheiben für die Verbindung von Kurbelwelle und Nebenaggregatetrieb verwendet, um die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle vom Riementrieb zu entkoppeln und damit die Funktion und die Lebensdauer des Riementriebs und der Nebenaggregate zu verbessern. Bei einer Anwendung mit Startergenerator und 48 V-Bordnetz muss die Riemenscheibe außerdem hohe Leistungen und Momente zur Kurbelwelle und zum Nebenaggregatetrieb übertragen können.
Grundsätzlich sind Biegefedern jedoch in allen Bereichen einsetzbar, in denen eine definierte Torsionssteifigkeit zwischen zwei Wellen im Antriebsstrang eingebracht werden muss, beispielsweise auch als Federelement für Zweimassenschwungräder oder Kupplungsscheiben mit Entkopplung.
Eine Biegedrehfeder mit Nockenpaaren zur Ein- und Ausleitung von Drehmomenten ist aus der EP 2 769 115 B1 bekannt. Die Nockenpaare sind jeweils durch zwei in Umfangsrichtung gegenüberliegende Nocken gebildet. Eine Drehfeder mit solchen Nockenpaaren ist ferner in der EP 2 627 924 B1 offenbart.
Eine weitere Drehfeder ist aus der DE 10 2008 017 626 A1 bekannt. Die Drehfeder umfasst eine Antriebsscheibe und eine Abtriebsscheibe, die gegen die Rückstellkraft der schraubengangförmigen Federwindungen relativ zueinander um eine Drehachse verdrehbar sind. Die Federwindungen, die Antriebsscheibe und die Abtriebsscheibe umschließen die Drehachse der Drehfeder konzentrisch. Die Federwindungen sind während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Drehfeder radial aufweitbar oder kontrahierbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Biegefeder, die einen geringeren Bauraum und ein geringeres Gewicht aufweist, eine Riemenscheibe mit einer vereinfachten Montage und ein Verfahren zum Herstellen der Biegefeder zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch eine Biegefeder mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Riemenscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Biegefeder ist insbesondere eine Biegedrehfeder zum Übertragen von Drehmomenten und umfasst einen schraubenförmig gewundenen Federkörper, der einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt aufweist, die durch eine Vielzahl von Windungen miteinander verbunden sind, wobei wenigstens einer der Endabschnitte durch Materialabtrag bearbeitet ist.
Durch den Materialabtrag wird die Drahtdicke der Biegefeder teilweise verringert, was eine Verringerung des axialen Bauraums sowie der Masse der Biegefeder hervorruft. Biegefedern weisen nämlich zusätzlich zu ihren federnden Windungen einen nicht federnden Bereich auf. Insbesondere kann der nicht federnde Bereich an den beiden Endabschnitten der Biegefeder vorhanden sein. Ferner kann der nicht federnde Bereich auch zwischen den Endabschnitten angeordnet sein. Um den Draht der Biegefeder mit einem reinen Biegemoment zu beaufschlagen, kann der nicht federnde Bereich der Biegefeder so bemessen sein, dass dieser an den beiden Endabschnitten jeweils einer Windung entspricht. Die Biegefeder weist dann an ihren beiden Endabschnitten jeweils eine nicht federnde Windung auf. Die nicht federnden Windungen werden durch die federnden Windungen miteinander verbunden und haben am axialen Bauraumbedarf der Biegefeder einen großen Anteil. Beispielsweise hat eine Biegefeder mit drei federnden Windungen zusätzlich zwei nicht federnde Windungen. Dies entspricht 40 % der axialen Ausdehnung der gesamten Biegefeder. Bei dem Materialabtrag an den Endabschnitten wird somit Material abgetragen, das zu einem großen Anteil nicht für die Federarbeit genutzt werden kann. Die nicht federnden Windungen sind außerdem deutlich geringer belastet als die federnden Windungen, sodass das Abtragen auch im Hinblick auf die Materialbeanspruchung unproblematisch ist. Das Abtragen erfolgt zugunsten einer signifikanten Reduktion des axialen Bauraumbedarfs und der Masse der Biegefeder, ohne dass eine Einschränkung bei der Funktion oder der Lebensdauer gegeben ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der Materialabtrag von einer Endkante des Endabschnitts in Umfangsrichtung der Biegefeder. Dadurch entsteht an den Stirnflächen der Biegefeder eine sauber definierte Fläche entlang der Umfangsrichtung der Biegefeder.
Vorteilhaft nimmt der Materialabtrag von einer Endkante des Endabschnitts in Umfangsrichtung stetig ab. Durch die stetige Abnahme wird an den Enden der Biegefeder der größte Materialabtrag erzielt, woraus eine weitere Reduktion der axialen Ausdehnung der Biegefeder resultiert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Endabschnitt nach dem Materialabtrag eine parallel zu einer Bezugsebene verlaufende Abtragfläche auf, wobei sich die Bezugsebene zu einer Längsachse der Biegefeder orthogonal erstreckt. Als Abtragfläche wird der durch Materialabtrag bearbeitete Teil der Stirnfläche an einem der Endabschnitte der Biegefeder bezeichnet. Die plane Abtragfläche liegt in einer planen Ebene. Dadurch, dass sich die Abtragfläche der Biegefeder parallel zu der Bezugsebene, und somit orthogonal zu der Längsachse, erstreckt, weist die Biegefeder bei seitlicher Ansicht eine im Wesentlichen rechteckige Form auf.
Bei der Gestaltung der Gehäuseteile muss eine Steigung der Biegefeder sehr genau abgebildet werden, damit die Biegefeder an jeder Stelle abgestützt wird. Ferner darf nur ein kleiner axialer Spalt zwischen dem Gehäuse und der Biegefeder vorhanden sein, durch den Fett verdrängt werden kann. Denn die Biegefeder wird regelmäßig mit Fett versehen, das die Biegefeder umgibt. Idealerweise ist der Raum um die Biegefeder vollständig mit Fett gefüllt. Durch radiales Aufweiten und Zusammenziehen der Biegefeder wird das Fett verdrängt. Je kleiner der axiale Spalt in radialer Richtung ist, desto größer ist bei diesem Vorgang die Dämpfung. Durch das Vorsehen eines nur kleinen axialen Spalts kann demnach die Fettverdrängung eingestellt werden, sodass eine gewünschte viskose Dämpfung im Bauteil erzeugt wird. Die damit verbundene Gestaltung der Gehäuseteile ist allerdings sehr aufwendig, teuer und erfordert es, die Biegefeder in einer definierten Orientierung um die Längsachse zu montieren, was zusätzlich den Montageprozess erschwert. Die Gestaltung der Gehäuseteile für die Biegefeder wird durch die parallel zu der Bezugsebene verlaufende Abtragfläche somit deutlich vereinfacht.
Vorteilhaft ist das Material an wenigstens einem der Endabschnitte abgeschliffen. Durch das Abschleifen ist ein präzises Herstellen des Materialabtrags möglich. Der axiale Bauraum der Biegefeder wird durch das Abschleifen verkürzt. Ferner ist es durch das Schleifen grundsätzlich möglich, das freie Ende der Biegefeder an dem Endabschnitt spitz zulaufen zu lassen, also eine Restdrahtdicke nach dem Abschleifen zu minimieren.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Biegefeder eine Krafteinleitungseinrichtung und/oder eine Kraftausleitungseinrichtung auf, die wenigstens zwei Windungen miteinander verbindet. Somit schließt die Krafteinleitungseinrichtung die erste Windung und/oder die Kraftausleitungseinrichtung die letzte Windung der Biegefeder zu einer geschlossenen Windung, was eine verbesserte Stabilität der Biegefeder mit sich bringt.
Das Lastmoment kann als Tangentialkräftepaar in die Biegefeder ein- und aus der Biegefeder ausgeleitet werden. In diesem Fall sind an dem jeweiligen Endabschnitt der Biegefeder zwei Krafteinleitungseinrichtungen beziehungsweise zwei Kraftausleitungseinrichtungen erforderlich, von denen pro Endabschnitt jedoch nur eine mit zwei Windungen verbunden sein muss. Die andere Krafteinleitungseinrichtung beziehungsweise Kraftausleitungseinrichtung an dem jeweiligen Endabschnitt kann auch nur mit einer Windung der Biegefeder verbunden sein.
Wenn die Krafteinleitungseinrichtung oder die Kraftausleitungseinrichtung zwei Windungen miteinander verbindet, wird die Tangentialkraft in der Biegefeder erst in der zweiten und/oder vorletzten Windung abgestützt. Dadurch wirkt ein hohes Biegemoment auf die Krafteinleitungseinrichtung und/oder die Kraftausleitungseinrichtung. Der Hebelarm der Tangentialkraft zu der zweiten und/oder vorletzten Windung, und dadurch das Biegemoment, wird durch den Materialabtrag an dem Endabschnitt verringert, was sich positiv auf die Lebensdauer der Krafteinleitungseinrichtung und/oder der Kraftausleitungseinrichtung, und damit auf die Lebensdauer der Biegefeder, auswirkt.
Vorteilhaft sind die Krafteinleitungseinrichtung und/oder die Kraftausleitungseinrichtung als Bolzen ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung der Biegefeder. Die Bolzen können mit Kulissen- oder Nutensteinen verbunden sein, über die die Tangentialkraft auf die Bolzen übertragen wird.
Vorteilhaft sind die Krafteinleitungseinrichtung und/oder die Kraftausleitungseinrichtung in zwei Windungen eingepresst. Durch das Einpressen wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Krafteinleitungseinrichtung und/oder der Kraftausleitungseinrichtung und der Biegefeder erzielt, sodass eine wirkungsvolle Krafteinleitung und/oder Kraftausleitung gewährleistet ist. Das Einpressen kann überwiegend unabhängig von der verwendeten Materialpaarung umgesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verlaufen die Krafteinleitungseinrichtung und/oder die Kraftausleitungseinrichtung durch eine neutrale Faser der Windungen. Die neutrale Faser der Biegefeder ist die Faser, in der bei Torsionsbelastung der Biegefeder keine Zug- oder Druckspannungen entstehen. Insbesondere kann bei der Biegefeder die neutrale Faser von dem geometrischen Mittelpunkt des Querschnitts radial nach innen, also zu der Längsachse der Biegefeder hin, versetzt sein.
Wenn die Krafteinleitungseinrichtung und/oder die Kraftausleitungseinrichtung durch die neutrale Faser verlaufen, wird die durch die Krafteinleitungseinrichtung und/oder die Kraftausleitungseinrichtung hervorgerufene Spannungsüberhöhung minimiert, was sich positiv auf die Bauteilbelastung der Biegefeder auswirkt.
Vorteilhaft schließen Endkanten der Endabschnitte einen Winkel um eine Längsachse der Biegefeder ein, wobei der Winkel eingestellt ist, um die Biegefeder auszuwuchten. Da die Biegefeder in einem rotierenden System eingesetzt wird, ist die Höhe der Unwucht ein wichtiges Kriterium. Biegefedern weisen jedoch insbesondere bei einer nicht ganzzahligen Windungsanzahl eine sehr hohe bauartbedingte Unwucht auf. Um mit möglichst geringem Aufwand ein ausgewuchtetes Gesamtsystem zu erhalten, wird die Biegefeder durch definierte Gestaltung der Winkellage der Endkanten zueinander gewuchtet. Der Winkel ergibt sich dabei aus der Restdrahtdicke der Biegefeder an den beiden Endabschnitten. Dabei ist es möglich, die Biegefeder vollständig auszuwuchten, wenn die Biegefeder an beiden Endabschnitten die gleiche Restdrahtdicke aufweist. Bei unterschiedlichen Restdrahtdicken lässt sich über die Einstellung des Winkels die Unwucht minimieren.
Durch dieses Vorgehen ist es möglich, dass auf Ausgleichsmassen in den Gehäuseteilen verzichtet werden kann. Ebenso wird es vermieden, die Biegefeder auf eine ganzzahlige Windungsanzahl zu verlängern, wodurch die axiale Ausdehnung der Biegefeder erhöht wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Winkel in einem Bereich von ca. 0° bis ca. 180°, vorzugsweise in einem Bereich von ca. 45° bis ca. 160° und weiter vorzugsweise in einem Bereich von ca. 85° bis ca. 110°. Wie beschrieben, ergibt sich der Winkel aus der Restdrahtdicke der Biegefeder an den beiden Endabschnitten. Der Winkel ist unabhängig von der Drahtdicke und der Steigung der Biegefeder.
Vorteilhaft ist eine Restdrahtdicke der Endabschnitte nach dem Materialabtrag kleiner als 50 % der Drahtdicke der Biegefeder, wobei vorzugsweise die Restdrahtdicke nach dem Materialabtrag kleiner ist als 40 % der Drahtdicke der Biegefeder. Insbesondere kann die Restdrahtdicke nach dem Materialabtrag zwischen ca. 30 % und ca. 40 % der Drahtdicke betragen. Zugunsten eines möglichst geringen Bauraums und einer möglichst geringen Masse der Biegefeder ist es theoretisch wünschenswert, die Restdrahtdicke zu minimieren, sodass der Endabschnitt spitz ausläuft. In der Praxis ist jedoch eine gewisse Restdrahtdicke erforderlich, da die Biegefeder ansonsten sehr leicht verformbar wäre und die Weiterverarbeitung der Biegefeder, beispielsweise durch Kugelstrahlen, problematisch wäre.
Vorteilhaft ist der Federkörper linksgewickelt. Ein linksgewickelter Federkörper ist in Blickrichtung der Längsachse, also auf die Stirnfläche des Federkörpers blickend, gegen den Uhrzeigersinn gewickelt. Der Federkörper kann jedoch alternativ auch rechtsgewickelt sein. Ein rechtsgewickelter Federkörper ist in Blickrichtung der Längsachse mit dem Uhrzeigersinn gewickelt.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Riemenscheibe zur Verwendung im Antrieb eines Kraftfahrzeugs gelöst, die mit der Biegefeder versehen ist. Durch den geringeren Bauraum, den die Biegefeder in Anspruch nimmt, benötigt auch die Riemenscheibe einen kleineren Bauraum. Darüber hinaus wird die Gestaltung der Gehäuseteile für die Biegefeder maßgeblich vereinfacht.
Vorteilhaft umfasst die Riemenscheibe eine Überlastsicherung, die eine radial innere Wegbegrenzung und eine radial äußere Wegbegrenzung aufweist, welche die Biegefeder radial umgeben. Bei einer Lasteinleitung in die Biegefeder erfährt diese eine Durchmesseränderung. Der Durchmesser der Biegefeder vergrößert oder verkleinert sich, je nach Belastungsrichtung. Dabei wirkt die radial innere Wegbegrenzung wie ein Kern, den die Biegefeder einschließt, und die radial äußere Wegbegrenzung wie eine Hülse, die die Biegefeder einschließt. Sobald die Biegefeder an der radial inneren Wegbegrenzung bzw. an der radial äußeren Wegbegrenzung anliegt, steigen, vergleichbar einem um eine Trommel gewickelten Seil, bei weiterer Erhöhung des äußeren Moments nur noch die Zug-/ Druckspannung in der Biegefeder geringfügig an. Ein weiterer Anstieg der Biegespannungen erfolgt nicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Riemenscheibe einen Freilauf. Der Freilauf dient vorteilhaft zum Entkoppeln einer Drehbewegung der Riemenscheibe und/oder einer Nabe in eine Drehrichtung und zum Übertragen einer Drehbewegung der Riemenscheibe und/oder der Nabe in die entgegengesetzte Drehrichtung. Der Freilauf ist vorteilhaft zwischen der Riemenscheibe und der Biegefeder angeordnet. Weiter vorteilhaft kann die Riemenscheibe einen Innenring und eine Riemenaufnahme umfassen. Der Innenring kann an die Biegefeder angebunden sein. Der Freilauf kann mit dem Innenring und der Riemenaufnahme verbunden und zwischen diesen aufgenommen sein. Der Freilauf bewirkt, dass eine Relativdrehbewegung zwischen der Riemenscheibe und dem Innenring in einer Richtung gesperrt ist und in der anderen Richtung möglich ist. Damit kann bei vorgegebener Drehrichtung Leistung nur in einer Richtung, d. h. von der Riemenscheibe zum Innenring oder umgekehrt, übertragen werden. Bevorzugt ist der Freilauf derart ausgestaltet, dass eine Drehübertragung, insbesondere eine Momentenübertragung, von der Riemenaufnahme auf den Innenring entkoppelt und eine Drehübertragung, insbesondere eine Momentenübertragung, von dem Innenring auf die Riemenaufnahme gewährleistet wird.
Ein Verfahren zum Herstellen der Biegefeder umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Federdrahtrohlings, des Linkswickelns oder Rechtswickelns des Federdrahtrohlings zu einer Biegefeder und des Abtragens von Material von der Biegefeder an wenigstens einem der Endabschnitte.
Vorteilhaft umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Einbringens einer Öffnung in die Biegefeder, die sich durch wenigstens zwei Windungen erstreckt, und des Einpressens einer Krafteinleitungseinrichtung oder einer Kraftausleitungseinrichtung in die Öffnung.
Nachfolgend werden die Biegefeder, die Riemenscheibe, das Verfahren sowie weitere Vorteile und Merkmale anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Hierbei zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht einer Riemenscheibe mit einer Biegefeder gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und einem Torsionsschwingungsdämpfer,
2 einen Vertikalschnitt durch die Riemenscheibe gemäß 1,
3 einen Vertikalschnitt durch eine Riemenscheibe mit der Biegefeder gemäß 1, einem Torsionsschwingungsdämpfer und einem Freilauf,
4 eine perspektivische Ansicht der Biegefeder aus 1,
5 eine Seitenansicht einer vorbekannten Biegefeder und der Biegefeder gemäß 4,
6 eine Seitenansicht einer vorbekannten Biegefeder und einer Biegefeder gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
7 eine perspektivische Ansicht der Biegefeder gemäß 6.

1 bis 3 zeigen jeweils eine Riemenscheibe 24. Die Riemenscheibe 24 wird im Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet, beispielsweise für die Verbindung von Kurbelwelle und Nebenaggregatetrieb.
Wie 2 und 3 zeigen, ist eine Biegefeder 10 in der Riemenscheibe 24 und in einer Nabe 29 aufgenommen. Die Biegefeder 10 ist sowohl an die Riemenscheibe 24 als auch an die Nabe 29 angebunden. Die Nabe 29 ist ferner mit einem Torsionsschwingungsdämpfer 28 verbunden. Die Nabe 29 dient beispielsweise der Verbindung mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle, während die Riemenscheibe 24 beispielsweise die Anbindung an einen nicht dargestellten Riementrieb, beispielsweise für ein Nebenaggregat, gewährleistet.
Ein in die Nabe 29 eingeleitetes Drehmoment wird beispielsweise als Axialkräftepaar auf die Biegefeder 10 und von der Biegefeder 10 auf die Riemenscheibe 24 übertragen. Die Biegefeder 10 dient der Einstellung einer gewünschten Torsionssteifigkeit zwischen der Kurbelwelle und der Nabe 29 einerseits und dem Nebenaggregatetrieb und der Riemenscheibe 24 andererseits.
Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Riemenscheibe 24 umfasst einen Innenring 24a und eine Riemenaufnahme 24b. Der Innenring 24a ist an die Biegefeder 10 angebunden. Sowohl der Innenring 24a als auch die Riemenaufnahme 24b sind mit einem Freilauf 31 verbunden, der zwischen diesen aufgenommen ist.
Der Freilauf 31 bewirkt, dass der Innenring 24a von der Riemenaufnahme 24b in einer Drehrichtung um eine Längsachse L vollständig entkoppelt ist. In der entgegengesetzten Drehrichtung um die Längsachse L findet keine Entkopplung statt.
Die in 2 und 3 schematisch dargestellte Biegefeder 10 ist eine Biegedrehfeder und umfasst einen Federkörper 11, der schraubenförmig um die Längsachse L gewunden ist. Die Biegefeder 10 kann linksgewickelt oder rechtsgewickelt sein. Eine Überlastsicherung 25 weist eine radial innere Wegbegrenzung 26 und eine radial äußere Wegbegrenzung 27 auf, welche die Biegefeder 10 radial umgeben. Die Funktionsweise der Überlastsicherung basiert auf der Durchmesseränderung der Biegefeder 10 aufgrund einer Einleitung einer Last in die Biegefeder 10. Je nach Belastungsrichtung vergrößert oder verkleinert sich der Durchmesser der Biegefeder 10. Dabei wirkt die radial innere Wegbegrenzung 26 wie ein Kern, den die Biegefeder 10 einschließt, und die radial äußere Wegbegrenzung 27 wie eine Hülse, die die Biegefeder 10 einschließt. Sobald die Biegefeder 10 aufgrund der Durchmesseränderung an der radial inneren Wegbegrenzung 26 bzw. an der radial äußeren Wegbegrenzung 27 anliegt, steigt bei weiterer Erhöhung des äußeren Moments nur noch die Zug-/Druckspannung in der Biegefeder 10 geringfügig an. Ein weiterer Anstieg der Biegespannungen erfolgt indes nicht. Denn die bereits vorliegenden Biegespannungen werden mit über dem Querschnitt der Biegefeder 10 konstanten Zug-/Druckspannungen überlagert, wobei aber nur ein geringer Anstieg der maximalen Spannungen erfolgt. Somit ist der Spannungsgradient über dem Lastmoment signifikant niedriger, wenn die Biegefeder 10 an der radial inneren Wegbegrenzung 26 oder an der radial äußeren Wegbegrenzung 27 anliegt.
Wie das Ausführungsbeispiel gemäß 4 anschaulich zeigt, weist der Federkörper 11 einen ersten Endabschnitt 12 und einen zweiten Endabschnitt 13 auf, die durch eine Vielzahl von Windungen 14 miteinander verbunden sind. Die Endabschnitte 12, 13 sind durch Materialabtrag bearbeitet. Der Materialabtrag kann insbesondere durch Abschleifen erfolgen und erstreckt sich von Endkanten 18, 19 des jeweiligen Endabschnitts 12, 13 in Umfangsrichtung der Biegefeder 10 bis zu einer Abtragkante 30. Die Biegefeder 10 schließt an den Endkanten 18, 19 ab. 5 zeigt links eine herkömmliche Biegefeder 10 und rechts eine erfindungsgemäße Biegefeder 10 im Vergleich. Dabei ist zu sehen, dass bei der erfindungsgemäßen Biegefeder 10 der Materialabtrag von den Endkanten 18, 19 in Umfangsrichtung stetig abnimmt. Demnach ist an den Endkanten 18, 19 der Materialabtrag am größten, das heißt die Restdrahtdicke der Biegefeder 10 ist an den Endkanten 18, 19 am geringsten. Der Materialabtrag verringert sich in Umfangsrichtung der Biegefeder 10 bis zu der Abtragkante 30, ab der kein Materialabtrag mehr stattfindet. Die Restdrahtdicke der Endabschnitte 12, 13 an den Endkanten 18, 19 soll nach dem Materialabtrag kleiner als 50 % einer Drahtdicke der Biegefeder 10 sein. Vorzugsweise ist die Restdrahtdicke nach dem Materialabtrag kleiner als 40 % der Drahtdicke.
Die Endabschnitte 12, 13 weisen, wie insbesondere 4 und 5 anschaulich zeigen, Abtragflächen 21, 22 auf. Die Abtragflächen 21, 22 werden einerseits durch die Endkanten 18, 19 und andererseits durch die jeweilige Abtragkante 30 begrenzt. Die Abtragflächen 21, 22 stellen plane Flächen dar und liegen jeweils in einer planen Ebene. Die planen Ebenen verlaufen jeweils parallel zu einer Bezugsebene E. Die Bezugsebene E erstreckt sich orthogonal zu der Längsachse L der Biegefeder 10.
4 zeigt ferner, dass die Endkanten 18, 19 einen Winkel α um die Längsachse L der Biegefeder 10 einschließen. Der Winkel α ist eingestellt, um die Biegefeder 10 auszuwuchten, da Biegefedern 10 insbesondere bei einer nicht ganzzahligen Windungsanzahl bauartbedingt eine sehr hohe Unwucht aufweisen. Um mit möglichst geringem Aufwand ein ausgewuchtetes Gesamtsystem zu erhalten, wird die Biegefeder 10 durch Einstellen des Winkels α gewuchtet. Der Winkel α ergibt sich dabei aus der Restdrahtdicke der Biegefeder 10 an den beiden Endabschnitten 12, 13. Durch das Einstellen des Winkels α kann auf Ausgleichsmassen in den Gehäuseteilen verzichtet werden. Ebenso wird eine Erhöhung der axialen Ausdehnung der Biegefeder 10 durch Verlängerung auf eine ganzzahlige Wndungsanzahl vermieden. Der Winkel α kann in einem Bereich von ca. 0° bis ca. 180° und vorzugsweise in einem Bereich von ca. 45° bis ca. 160° liegen. In besonders bevorzugter Ausgestaltung liegt der Winkel α in einem Bereich von ca. 85° bis ca. 110°. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der Winkel α bei etwa 90°.
Biegefedern 10 weisen zusätzlich zu ihren federnden Windungen 14 an ihren beiden Endabschnitten 12, 13 jeweils eine nicht federnde Windung 14 auf. Die nicht federnden Windungen 14 sind die erste Windung 14a und die letzte Windung 14b der Biegefeder 10, also die Windungen 14, welche die Biegefeder 10 an ihren beiden freien Enden abschließen. Wie insbesondere aus 5 hervorgeht, haben die nicht federnden Windungen 14a, 14b am axialen Bauraumbedarf der Biegefeder 10 einen großen Anteil. 5 zeigt links eine Biegefeder 10 ohne Materialabtrag, die eine Tiefe t₁ aufweist. In 5 wird rechts eine durch Materialabtrag bearbeitete Biegefeder 10 gezeigt, die eine Tiefe t₂ und bei seitlicher Ansicht eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweist. Durch den Materialabtrag ergibt sich eine Tiefendifferenz Δt, um die der axiale Bauraumbedarf der Biegefeder 10 durch den Materialabtrag reduziert ist. Dabei wird lediglich Material abgetragen, das zu einem großen Anteil nicht für die Federarbeit genutzt wird. Das Abtragen bewirkt zudem eine Reduktion der Masse der Biegefeder 10, ohne dass die Funktion oder die Lebensdauer beeinträchtigt sind.
Bei der Gestaltung von Gehäuseteilen muss eine Steigung der Biegefeder 10 sehr genau abgebildet werden, damit die Biegefeder 10 an jeder Stelle abgestützt wird. Je nach Anwendungsfall der Biegefeder 10 können die Gehäuseteile beispielsweise der Riemenscheibe 24 und der Nabe 29 entsprechen, wie in 2 und 3 dargestellt ist. Durch die im Wesentlichen rechteckige Form der Biegefeder 10 wird dieser Vorgang erheblich vereinfacht.
Ferner wird in das Gehäuse der Biegefeder 10 Fett eingebracht, das die Biegefeder 10 umgibt (in 2 und 3 nicht dargestellt). Das Fett bewirkt eine viskose Dämpfung der Biegefeder 10. Durch das Vorsehen eines kleinen, nicht dargestellten axialen Spalts kann die Fettverdrängung eingestellt werden, sodass eine gewünschte viskose Dämpfung im Bauteil erzeugt wird. Die Gestaltung der Gehäuseteile für die Biegefeder 10 wird durch die parallel zu der Bezugsebene E verlaufenden Abtragflächen 21, 22 somit deutlich vereinfacht.
Die in 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiele der Biegefeder 10 weisen jeweils zumindest eine Krafteinleitungseinrichtung 15 oder eine Kraftausleitungseinrichtung 16 auf. Die Krafteinleitungseinrichtung 15 oder die Kraftausleitungseinrichtung 16 ist als Bolzen 17 ausgebildet und, wie 6 anschaulich zeigt, in zwei Windungen 14 eingepresst. Durch das Einpressen wird eine kraftschlüssige Verbindung der Bolzen 17 mit der Biegefeder 10 erzielt.
Die Bolzen 17 schließen durch das Einpressen in zwei Windungen 14 die erste Windung 14a und die letzte Windung 14b der Biegefeder 10 zu einer geschlossenen Windung 14. Das Lastmoment wird als Tangentialkräftepaar, das an den Bolzen 17 angreift, in die Biegefeder 10 ein- und aus der Biegefeder 10 ausgeleitet. Die Tangentialkraft wird durch die Biegefeder 10 erst in der zweiten bzw. vorletzten Windung 14 aufgenommen. Dadurch ergibt sich ein auf die Pressverbindung wirkendes, hohes Biegemoment aus der Tangentialkraft und einem Hebelarm h₁ .
Wie 6 anschaulich zeigt, kann der Hebelarm h₁ durch den Materialabtrag um die Hebelarmdifferenz Δh auf einen Hebelarm h₂ verkürzt werden. Das Biegemoment, das auf die Pressverbindung des Bolzens 17 mit der Windung 14 wirkt, wird durch den Materialabtrag somit verringert, womit positive Auswirkungen auf die Lebensdauer der Biegefeder 10 verbunden sind.
Aus 7 geht hervor, dass die Bolzen 17 durch eine neutrale Faser 23 der Windungen 14 verlaufen. Die neutrale Faser 23 ist die Faser, in der bei Torsionsbelastung der Biegefeder 10 keine Zug- oder Druckspannungen entstehen. Die neutrale Faser 23 ist von einem geometrischen Mittelpunkt des Querschnitts der Biegefeder 10 radial nach innen versetzt.
Dadurch, dass die Bolzen 17 durch die neutrale Faser 23 verlaufen, wird die durch die Bolzen 17 hervorgerufene Spannungsüberhöhung minimiert, was sich positiv auf die Bauteilbelastung der Biegefeder 10 auswirkt.
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Biegefeder 10 wird zunächst ein Federdrahtrohling bereitgestellt. Durch Linkswickeln oder Rechtswickeln des Federdrahtrohlings entsteht sodann eine Biegefeder 10. Schließlich wird an wenigstens einem der Endabschnitte 12, 13 Material von der Biegefeder 10 abgetragen, insbesondere abgeschliffen.
Bei dem Verfahren wird anschließend eine Öffnung 20, wie sie in 7 gezeigt ist, in die Biegefeder 10 eingebracht, insbesondere gebohrt. Die Öffnung 20 erstreckt sich durch wenigstens zwei Windungen 14. Schließlich wird eine Krafteinleitungseinrichtung 15 oder eine Kraftausleitungseinrichtung 16, insbesondere ein Bolzen 17, in die Öffnung 20 eingepresst.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen der Biegefeder 10 haben gemein, dass sie im Vergleich zu bekannten Biegefedern eines geringeren Bauraums bedürfen und eine geringere Masse aufweisen. Die Montage der Riemenscheibe 24 wird durch Biegefeder 10 vereinfacht.
Bezugszeichenliste

10: Biegefeder
11: Federkörper
12: erster Endabschnitt
13: zweiter Endabschnitt
14: Windung
14a: erste Windung
14b: letzte Windung
15: Krafteinleitungseinrichtung
16: Kraftausleitungseinrichtung
17: Bolzen
18: Endkante
19: Endkante
20: Öffnung
21: Abtragfläche
22: Abtragfläche
23: neutrale Faser
24: Riemenscheibe
24a: Innenring
24b: Riemenaufnahme
25: Überlastsicherung
26: radial innere Wegbegrenzung
27: radial äußere Wegbegrenzung
28: Torsionsschwingungsdämpfer
29: Nabe
30: Abtragkante
31: Freilauf
E: Bezugsebene
L: Längsachse
h₁: Hebelarm vor Materialabtrag
h₂: Hebelarm nach Materialabtrag
Δh: Hebelarmdifferenz
t₁: Tiefe vor Materialabtrag
t₂: Tiefe nach Materialabtrag
Δt: Tiefendifferenz
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2769115 B1 [0005]
EP 2627924 B1 [0005]
DE 102008017626 A1 [0006]

Claims

Biegefeder (10), insbesondere Biegedrehfeder, zum Übertragen von Drehmomenten, umfassend einen schraubenförmig gewundenen Federkörper (11), der einen ersten Endabschnitt (12) und einen zweiten Endabschnitt (13) aufweist, die durch eine Vielzahl von Windungen (14) miteinander verbunden sind, wobei wenigstens einer der Endabschnitte (12, 13) durch Materialabtrag bearbeitet ist.
Biegefeder (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Materialabtrag von einer Endkante (18, 19) des Endabschnitts (12, 13) in Umfangsrichtung erstreckt.
Biegefeder (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag von einer Endkante (18, 19) des Endabschnitts (12, 13) in Umfangsrichtung stetig abnimmt.
Biegefeder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (12, 13) nach dem Materialabtrag eine parallel zu einer Bezugsebene (E) verlaufende Abtragfläche (21, 22) aufweist, wobei sich die Bezugsebene (E) zu einer Längsachse (L) der Biegefeder (10) orthogonal erstreckt.
Biegefeder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material an wenigstens einem der Endabschnitte (12, 13) abgeschliffen ist.
Biegefeder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Krafteinleitungseinrichtung (15) und/oder eine Kraftausleitungseinrichtung (16), die wenigstens zwei Windungen (14) miteinander verbindet.
Biegefeder (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungseinrichtung (15) und/oder die Kraftausleitungseinrichtung (16) als Bolzen (17) ausgebildet sind.
Biegefeder (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungseinrichtung (15) und/oder die Kraftausleitungseinrichtung (16) in Öffnungen (20) zweier Windungen (14) eingepresst sind.
Biegefeder (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungseinrichtung (15) und/oder die Kraftausleitungseinrichtung (16) durch eine neutrale Faser (23) der Windungen (14) verlaufen, wobei die neutrale Faser (23) vorzugsweise von einem geometrischen Mittelpunkt eines Querschnitts der Biegefeder (10) radial nach innen versetzt ist.
Biegefeder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Endkanten (18, 19) der Endabschnitte (12, 13) einen Winkel (α) um eine Längsachse (L) der Biegefeder (10) einschließen, wobei der Winkel (α) eingestellt ist, um die Biegefeder (10) auszuwuchten.
Biegefeder (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) in einem Bereich von ca. 0° bis ca. 180° liegt, wobei vorzugsweise der Winkel (α) in einem Bereich von ca. 45° bis ca. 160° liegt, wobei weiter vorzugsweise der Winkel (α) in einem Bereich von ca. 85° bis ca. 120° liegt.
Biegefeder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Restdrahtdicke der Endabschnitte (12, 13) nach dem Materialabtrag kleiner ist als 50 % einer Drahtdicke der Biegefeder (10), wobei vorzugsweise die Restdrahtdicke nach dem Materialabtrag kleiner ist als 40 % der Drahtdicke der Biegefeder (10).
Riemenscheibe (24) zur Verwendung im Antrieb eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch die Biegefeder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Riemenscheibe (24) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Überlastsicherung (25), die eine radial innere Wegbegrenzung (26) und eine radial äußere Wegbegrenzung (27) aufweist, welche die Biegefeder (10) radial umgeben.
Riemenscheibe (24) nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch einen Freilauf (31) zum Entkoppeln einer Drehbewegung der Riemenscheibe (24) und/oder einer Nabe (29) in eine Drehrichtung und zum Übertragen einer Drehbewegung der Riemenscheibe (24) und/oder der Nabe (29) in die entgegengesetzte Drehrichtung.
Verfahren zum Herstellen der Biegefeder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Federdrahtrohlings, Linkswickeln oder Rechtswickeln des Federdrahtrohlings zu einer Biegefeder (10) und Abtragen von Material von der Biegefeder (10) an wenigstens einem der Endabschnitte (12, 13).
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner umfasst: Einbringen wenigstens einer Öffnung (20) in die Biegefeder (10), die sich durch wenigstens zwei Windungen (14) erstreckt, und Einpressen einer Krafteinleitungseinrichtung (15) oder einer Kraftausleitungseinrichtung (16) in die Öffnung (20).