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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Systeme und Verfahren zum Aufbringen einer abstimmbaren elastischen Kraft, und insbesondere auf das Verwenden von elastischen Elementen aus metallischem Glas zum Aufbringen von Kraft in einem mechanischen System.
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EINLEITUNG
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Federähnliche Elemente sind in einer Vielzahl von Formen erhältlich. So dienen beispielsweise Schrauben-, Torsions-, Scheiben-, Blatt- und Clipfedern sowie elastische Werkstoffkomponenten als elastische Elemente für Anwendungen wie Aufbringen von Kraft, Klemmen und Schwingungsdämpfen. Diese Elemente können unter Last oder nach wiederholtem Zyklus eine Verschlechterung der Ermüdung erfahren, können begrenzte Steifigkeitsbereiche aufweisen und können bei eingeschränkten Verpackungsräumen schwer zu formen sein.
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Dementsprechend ist es wünschenswert, Systeme und Verfahren bereitzustellen, die elastischen Elementen eine größere Designflexibilität verleihen. Ferner werden weitere wünschenswerte Funktionen und Merkmale aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Einführung offensichtlich.
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KURZDARSTELLUNG
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Systeme und Verfahren sind mit elastischen Elementen versehen, die konfigurierbare Kraft- versus Verschiebungseigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen ist ein elastisches Element konfiguriert, um beim Aufbringen einer Last von einer Grundform auszulenken und beim Entfernen der Last die Grundform wieder einzunehmen. Das elastische Element, das aus einem metallischen Glaswerkstoff gebildet ist. Das elastische Element übt eine Kraft auf ein bewegliches Element aus.
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In anderen Ausführungsformen weist das elastische Element ein Querschnittsprofil auf, das konfiguriert ist, die Kraft beim Auslenken des elastischen Elements zu variieren.
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In anderen Ausführungsformen weist das elastische Element eine unregelmäßige Form auf, die durch einen Raum bestimmt wird, in dem das elastische Element angeordnet ist.
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In anderen Ausführungsformen ist das elastische Element als eine Scheibe mit einer mittleren Öffnung und mit einer der mittleren Öffnung gegenüberliegenden Peripherie an einem äußersten Rand des elastischen Elements ausgebildet. Das elastische Element weist ein Querschnittsprofil mit einer Dicke an der mittleren Öffnung und einer unterschiedlichen Dicke an der Peripherie auf.
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In anderen Ausführungsformen weist das elastische Element ein Querschnittsprofil mit einer variierenden Dicke auf, das Rippen und Nuten beinhalten kann, die konfiguriert sind, die Kraft beim Auslenken des elastischen Elements zu variieren.
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In weiteren Ausführungsformen ist das elastische Element in einem stufenlosen Getriebe angeordnet. Eine Scheibe im stufenlosen Getriebe ist im Durchmesser variabel, und das elastische Element übt die Kraft auf die Scheibe aus.
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In anderen Ausführungsformen greift ein Kolben mit einer Stange in die Scheibe ein, und das elastische Element ist um die Stange herum angeordnet. Das elastische Element kann scheibenförmig mit einer mittleren Öffnung sein, durch die sich die Stange erstreckt.
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In weiteren Ausführungsformen weist das elastische Element eine konische Form auf.
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In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren das Bilden eines elastischen Elements in einer Grundform, die beim Aufbringen einer Last auslenkt und die beim Entfernen der Last die Grundform wieder einnimmt. Das elastische Element ist aus einem metallischem Glaswerkstoff ausgebildet. Ein bewegliches Element ist so positioniert, dass das elastische Element eine Kraft auf das bewegliche Element ausübt.
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In weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Ausbilden des elastischen Elements mit einem Querschnittsprofil, das konfiguriert ist, um die Kraft beim Auslenken des elastischen Elements zu variieren.
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In anderen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Ausbilden des elastischen Elements mit einer Form, die unregelmäßig ist und die durch einen Raum bestimmt wird, innerhalb dessen das elastische Element angeordnet ist.
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In anderen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Formen des elastischen Elements als Scheibe mit einer mittleren Öffnung und einer der mittleren Öffnung gegenüberliegenden Peripherie an einem äußersten Rand des elastischen Elements. Ein Querschnittsprofil des elastischen Elements wird mit einer Dicke an der mittleren Öffnung und einer zweiten Dicke an der Peripherie gegossen.
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In anderen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Gießen des elastischen Elements mit einem Querschnittsprofil, das eine variierende Dicke aufweist.
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In weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Gussrippen und -nuten auf dem elastischen Element, die konfiguriert sind, um die Kraft beim Auslenken des elastischen Elements zu variieren.
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In weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Positionieren des elastischen Elements in einem stufenlosen Getriebe. Das elastische Element bringt die Kraft auf eine Scheibe im stufenlosen Getriebe auf, die einen variablen Durchmesser hat.
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In weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Eingreifen der Scheibe mit einer Kolbenstange, und das elastische Element ist um die Stange herum positioniert.
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In weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Formen des elastischen Elements als eine Scheibe mit einer Öffnung in ihrer Mitte und Verlängern der Stange durch die Öffnung.
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In weiteren Ausführungsformen ist ein elastisches Element in Scheibenform ausgebildet und konfiguriert, um beim Aufbringen einer Last von einer Grundform auszulenken und die Grundform beim Entfernen der Last wieder einzunehmen. Das elastische Element ist aus einem metallischen Glaswerkstoff gegossen. Eine Rippe wird auf das elastische Element gegossen und ist konfiguriert, um die Kraft beim Auslenken des elastischen Elements zu variieren. Das elastische Element bringt die Kraft auf ein bewegliches Element auf.
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Figurenliste
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Die exemplarischen Ausführungsformen werden nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und worin gilt:
- 1 veranschaulicht ein elastisches Element im Querschnitt, das im Allgemeinen durch die in 3 als 1-1 angegebene Linie aufgenommen ist;
- 2 ist eine schematische Veranschaulichung einer stufenlosen Getriebeanwendung, die ein elastisches Element zur Klemmunterstützung verwendet;
- 3 ist eine Veranschaulichung des elastischen Elements von 1;
- 4 ist eine Veranschaulichung eines elastischen Elements gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
- 5 ist eine Querschnittsveranschaulichung eines elastischen Elements gemäß verschiedenen Ausführungsformen, die einen vergrößerten Detailbereich zeigt; und
- 6 ist ein Diagramm der Kraft versus der Verschiebung für verschiedene elastische Elemente.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende ausführliche Beschreibung dient lediglich als Beispiel und soll die Anwendung und Verwendung in keiner Weise einschränken. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, der Einführung, der Zusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein.
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In einer oder mehreren exemplarischen Implementierungen des offenbarten elastischen Elementsystems und -verfahrens ist eine abstimmbare Steifigkeit vorgesehen. Im Allgemeinen kann die Steifigkeit durch Variationen der Querschnittsdicke angepasst werden, die durch Verwenden von metallischem Glas zum Ausbildung des elastischen Elements ermöglicht werden. Eine hohe Ermüdungslebensdauer ist bei lebenslanger konstanter Leistung durch eine nahezu spannungsfreie Relaxation des metallischen Glaswerkstoffs erreichbar. In bestimmten Ausführungsformen können unregelmäßige Formen des elastischen Elements leicht geformt werden, z. B. durch Gießen, um dem durch die Anwendung vorgegebenen Verpackungsraum zu entsprechen.
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Die aktuelle Beschreibung bezieht sich auf elastische Elementsysteme, die zum Zwecke des Aufzeigens eines Beispiels im Rahmen einer mechanischen Systemanwendung und insbesondere eines stufenlosen Getriebesystems (CVT) beschrieben werden können. Während des Betriebs kann es sinnvoll sein, die Bewegung der Scheiben des CVTs unter kontrollierter Kraft und/oder bei variablen Kräften zu steuern. Um beispielsweise den Durchmesser einer Scheibe effektiv zu variieren, kann eine Kraft an einem bestimmten Arbeitspunkt des CVTs bevorzugt werden und eine andere Kraft kann an einem anderen Arbeitspunkt des CVTs bevorzugt werden.
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Die vorliegende Offenbarung beschränkt sich nicht nur auf CVT-Anwendungen oder Getriebe im Allgemeinen, sondern enthält auch jede Anwendung, bei der eine konsequent wiederholbare Anwendung eines Kraftprofils durch ein elastisches Element erwünscht ist. Dementsprechend gelten die Lehren der vorliegenden Offenbarung für mechanische Systeme in einer Vielzahl von Anwendungen, wie beispielsweise Fahrzeugsystemen, Maschinen- und Anlagensystemen und sonstigen.
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In einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wie im Folgenden näher beschrieben, ist ein elastisches Element konfiguriert, um beim Aufbringen einer Last aus einer Grundform auszulenken und die Grundform beim Entfernen der Last wieder einzunehmen. Das elastische Element ist aus einem metallischem Glaswerkstoff ausgebildet. Das elastische Element bringt eine Kraft auf ein bewegliches Element auf, um eine gewünschte Aktion auszuführen. Dementsprechend ist unter Bezugnahme auf 1 ein elastisches Element 20 in seiner Grundform dargestellt. Das elastische Element 20 ist als eine Federscheibe ausgebildet, manchmal auch als Belleville-Feder bezeichnet, und weist im Allgemeinen die Form eines konischen Abschnitts auf. Das elastische Element 20 weist einen Außendurchmesser 22 auf, der auf jeder Seite 28, 30 über seine Mitte 24 bis zu seiner Peripheriekante 26 gemessen wird. Das elastische Element 20 weist eine Öffnung 32 auf, die in der Mitte 24 zentriert ist und einen Innendurchmesser 34 definiert. Wenn das elastische Element 20 in der Grundform, wie in 1 dargestellt, eine freie Scheibenhöhe 36 und eine freie Kegelhöhe 38 aufweist, die jeweils von der Basis 39 des elastischen Elements 20 gemessen werden. Das elastische Element 20 weist eine Dicke 40 auf, die gleichbleibend sein kann oder wie im Folgenden näher beschrieben, variieren kann.
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In der Ausführungsform von 1 ist das elastische Element 20 aus einem metallischen Glaswerkstoff ausgebildet, der manchmal als amorphes Metall bezeichnet wird. So kann beispielsweise das Material ein Metall mit einer nicht-kristallinen Struktur sein. Metalle sind typischerweise Kristallin in seinem festen Zustand, jedoch ist das elastische Element 20 aus einem metallischen Glas als ein Metall ausgebildet, das eine Legierung sein kann, das eine glasartige Struktur aufweist. Der metallische Glaswerkstoff wird durch den Einsatz einer Form, wie beispielsweise beim Gießen oder Spritzgießen, in die gewünschte Form geformt. Da der metallische Glaswerkstoff in der Form abkühlt und vom flüssigen in den festen Zustand übergeht, tritt keine Phasenänderung auf, so dass das Material eine glasartige Struktur behält. Dementsprechend behält das Material eher eine zufällige als eine geordnete Struktur bei und weist daher wünschenswerte Eigenschaften auf. Das Material kann aus einer Vielzahl von Bestandteilen legiert werden, einschließlich Magnesium, Yttrium, Zirkonium, Beryllium, Titan, Kupfer, Nickel, Zink, Niob, Aluminium und sonstigen. Das Material kann durch verschiedene Prozesse gebildet werden, darunter extrem schnelles Abkühlen, physikalische Dampfabscheidung, Festkörperreaktion, Ionenbestrahlung, und mechanisches Legieren.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Anwendung für das elastische Element 20 als elastisches Elementsystem 42 eines CVTs 44 dargestellt. Wie bereits vorstehend erwähnt, kann das hierin beschriebene elastische Elementsystem 42 in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. In diesem Beispiel beinhaltet das elastische Elementsystem 42 das elastische Element 20, das in einem Zustand dargestellt ist, der aus der Grundform von 1 komprimiert ist. Das CVT 44 beinhaltet einen Scheibensatz 46 mit einem Paar von Scheibenhälften 48, 50, die mit einer Antriebskette 52 in Eingriff stehen. Die Scheibenhälften 48, 50 sind relativ zueinander in Richtung 54 beweglich, um den effektiven Durchmesser zu variieren, den die Antriebskette 52 beim Lauf um den Scheibensatz 46 erfährt. In diesem Beispiel erstreckt sich eine Stange 56 durch die Scheibenhälften 48, 50 und steuert deren Abstand. Die Stange 56 ist in Bezug auf die Scheibenhälfte 48 fixiert und die Scheibe 50 ist in Bezug auf die Stange 56 beweglich. Dadurch ist die Scheibenhälfte 50 im Verhältnis zur Scheibenhälfte 48 beweglich. In diesem Beispiel wird ein Element 60 an der Stange 56 befestigt. Ein weiteres Element 62 passt mit dem Element 60 zusammen und bildet einen Behälter 64, der eine Kammer 66 definiert, innerhalb der das elastische Element 20 angeordnet ist. Es ist zu beachten, dass mehrere elastische Elemente 20 wie dargestellt gestapelt eingebaut werden können. Im gestapelten Zustand können die elastischen Elemente 20 in die gleiche Richtung zeigen oder die elastischen Elemente 20 können wie dargestellt in entgegengesetzte Richtungen zeigen. In diesem Beispiel übt das/die elastische(n) Element(e) 20 eine Kraft auf die Scheibenhälfte 50 als bewegliches Element aus, um die Scheibenhälften 48, 50 gegeneinander zu drücken, um den Durchmesser des Scheibensatzes 46 zu vergrößern. Die Kammer 66 kann mit Fluiddruck betrieben werden, um die Scheibenhälfte 50 und das Element 62 als einen Kolben mit Hilfe des elastischen Elements 20 zu bewegen, oder der Kolben kann durch andere Mechanismen oder durch das elastische Element 20 allein oder durch mehrere elastische Elemente 20 bewegt werden.
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Unter Bezugnahme auf 3 weist das elastische Element 20 in einer Reihe von Ausführungsformen eine kreisförmige Scheibenform mit der Öffnung 32 und der Umfangskante 26 auf. In weiteren Beispielen, wie in 4 dargestellt, ermöglicht die Verwendung von metallischem Glas zum Ausbilden des elastischen Elements 70 Bereitstellen unregelmäßiger Formen, wie sie durch die Öffnung 72 und die Peripheriekante 74 definiert sind. In diesem Beispiel sind sowohl die Öffnung 72 als auch die Peripheriekante 74 unregelmäßig geformt. In anderen Beispielen ist nur eine der Öffnungen 72 oder die Peripheriekante 74 unregelmäßig. Die Form ist unregelmäßig, d. h. sie weicht von einer Standardkreis-, Ellipsen- oder Polygonform ab und wird durch den Raum bestimmt, innerhalb dessen das elastische Element 70 passen muss. Da das elastische Element 70 durch Formen ausgebildet wird, kann der Hohlraum oder die Matrize, in dem/der es geformt wird, in die erforderliche Form geformt werden.
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In einer Reihe von Ausführungsformen, wie in 5 dargestellt, wird ein elastisches Element 80, wie beispielsweise zum Verwenden im CVT 44, aus einem metallischen Glaswerkstoff gebildet. Das elastische Element 80 weist eine Dicke auf, die von der Öffnung 82 bis zur Peripheriekante 84 variiert. In diesem Beispiel ist die Dicke an der Peripheriekante 84 größer als an der Öffnung 82. Dementsprechend weist der Querschnitt des elastischen Elements 80 ein variierendes Profil auf und ist an seinem Ende, das an der Öffnung 82 angrenzt, dicker und ist an seinem Ende an der Peripheriekante 84 dünner. In diesem Beispiel variiert die Dicke auch entlang des Querschnitts mit Rippen 86 und Nuten 88 zwischen einem Rippenpaar 86. Die Dicke variiert auch, wie durch Abschnitte mit einer abgewinkelten Oberfläche 90 und einer unregelmäßig konturierten Oberfläche 92 definiert. Die Dicke, einschließlich der Rippen 86, der Nuten 88, der abgewinkelten Oberfläche 90 und der unregelmäßig konturierten Oberfläche 92, führt zu einer unterschiedlichen Kraft 94, die auf das bewegliche Element 96 aufgebracht wird, während sich das elastische Element 80 durch Kompression und Dekompression biegt.
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Unter Bezugnahme auf 6 zeigt ein Diagramm die Kraft auf der vertikalen Achse 96 im Vergleich zur Verschiebung auf der horizontalen Achse 98, die als Verschiebung über der freien Kegelhöhe 38 dargestellt wird. Die Kurve 100 zeigt die Reaktion einer typischen gestanzten Stahlscheibenscheibe vom Ursprung bis zur Prüfgrenzzone 102. Die Kurve 104 zeigt die Reaktion des elastischen Elements 20 vom Ursprung durch die Prüfgrenzzone 106. Es wurde nachgewiesen, dass die Prüfgrenze des elastischen Elements 20 höher ist und das Kraftprofil über einen größeren Bereich auf einem hohen Niveau gehalten wird. Die Kurve 108 zeigt die Reaktion des elastischen Elements 70 vom Ursprung bis zur Prüfgrenzzone 106. Es wird gezeigt, dass die Kraft aufgrund der abgestimmten Steifigkeit von Rippen, Nuten und anderen Merkmalen des Profils variiert.
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Dementsprechend bieten ein elastisches Elementsystem und ein Verfahren eine abstimmbare Steifigkeit, die durch Variationen der Querschnittsdicke angepasst werden kann, die durch die Verwendung von metallischem Glas zum Ausbilden des elastischen Elements ermöglicht wird. Eine hohe Ermüdungslebensdauer ist bei lebenslanger konstanter Leistung durch eine nahezu spannungsfreie Relaxation des metallischen Glaswerkstoffs erreichbar. Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.
