DE102020121165A1

DE102020121165A1 - Drehmomentübertragungseinrichtung mit Hebelfeder und träger Rolle

Info

Publication number: DE102020121165A1
Application number: DE102020121165.1A
Authority: DE
Inventors: Andrey Sergeev; Pascal Strasser; David Schulteis; Ad Kooy
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-02-17

Abstract

Bei einer Drehmomentübertragungseinrichtung (1) umfassend einen Sekundärflansch (3) und einen Primärflansch (2), die gegen ein durch ein Übertragungsmittel (4) bereitstellbares Rückstellmoment relativ zueinander verdrehbar sind, wobei das Übertragungsmittel (4) mindestens ein Federelement (5) umfasst, das an dem Sekundärflansch (3) befestigt ist und mindestens einen federnd beweglichen Armteil (9) aufweist, der über einen Rotationskörper (10) mit dem Primärflansch (2) in Kontakt steht, wird eine Verbesserung der Tilgungswirkung erzielt, indem der Rotationskörper (10) einen Wälzkörper (14) und mindestens eine Zusatzmasse (15) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentübertragungseinrichtung umfassend einen Sekundärflansch und einen Primärflansch, die gegen ein durch ein Übertragungsmittel bereitstellbares Rückstellmoment relativ zueinander verdrehbar sind, wobei das Übertragungsmittel mindestens ein Federelement umfasst, das an dem Sekundärflansch befestigt ist und mindestens einen federnd beweglichen Armteil aufweist, der über einen Rotationskörper mit dem Primärflansch in Kontakt steht.
Eine gattungsgemäße Drehmomentübertragungseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2015 118 713 A1 , oder der DE 10 2016 124 412 A1 unter dem Namen V-Blade ZMS bekannt. Ein V-Blade ZMS umfasst ein oder mehrere biegeelastische Elemente (Federblätter, so genannte Blades), die auf einer (Primär- oder Sekundär-) Schwungmasse befestigt sind. Üblicherweise sind die Federblätter auf der Sekundärseite befestigt. Eine Abstützrolle pro Federblatt ist drehbar (eventuell verschiebbar) auf der anderen, meist auf der Primärseite, gelagert. Beim relativen Verdrehen der Primär- gegenüber der Sekundärseite wälz die Rolle auf dem Federblatt ab und verformt dieses. Die entstehende Kraft stützt sich auf die Rolle und den Befestigungspunkt des Federblattes ab. Es wird ein dem Verdrehwinkel proportionales Rückstellmoment erzeugt. Die Kennlinie kann mit der Federblattgeometrie (Abrollprofil und Balkendicke) fast frei gestaltet werden.
Die einzige Funktion der Rolle ist die Kraftabstützung.
Die DE 10 2018 207 574 A1 beschreibt ein V-Blade ZMS mit einer Rolle, die einen nicht auf der Drehachse liegenden Schwerpunkt aufweist. Auf diese Masse wirkt die Fliehkraft, diese erzeugt ein Drehmoment. Das Moment könnte theoretisch als Unterstützung der Feder benutzt werden. Während einer vollen Schwingung der Primärmasse relativ zur Sekundärmasse (0 bis maximales Moment) macht die Rolle konstruktionsbedingt mehr als eine volle Umdrehung. Das mit der Fliehkraft erzeugte Drehmoment weist daher mehrere Maxima und Minima innerhalb einer Schwingung auf. Eine solche Momentenkennlinie ist in der Praxis kaum nutzbar.
Es ist möglich den maximalen Verdrehwinkel der Rolle zu reduzieren, um das zusätzliche Drehmoment nutzen zu können. Der Effekt kann mit einer Übersetzungsanpassung erreicht werden. Diese führt aber zur drastischen Verkleinerung des für die Federblätter vorgesehenen Bauraumes und als Folge zur Reduzierung der Energie, die im Federblatt gespeichert werden kann, was durch Verringerung der Tilgungswirkung meist nicht zielführend ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, die aus dem Stand der Technik bekannte gattungsgemäße Drehmomentübertragungseinrichtung bezüglich ihrer Isolationswirkung zu verbessern.
Dieses Problem wird durch eine Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen, Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das oben genannte Problem wird insbesondere gelöst durch eine Drehmomentübertragungseinrichtung umfassend einen Sekundärflansch und einen Primärflansch, die gegen ein durch ein Übertragungsmittel bereitstellbares Rückstellmoment relativ zueinander verdrehbar sind, wobei das Übertragungsmittel mindestens ein Federelement umfasst, das an dem Sekundärflansch befestigt ist und mindestens einen federnd beweglichen Armteil aufweist, der über einen Rotationskörper mit dem Primärflansch in Kontakt steht, wobei der Rotationskörper einen Wälzkörper und mindestens eine Zusatzmasse umfasst.
Der Rotationskörper umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung einen Wälzkörper und zwei Zusatzmassen. Der Schwerpunkt der Zusatzmasse(n) liegt in einer Ausführungsform der Erfindung auf der Rotationsachse des Rotationskörpers.
Der Wälzkörper ist in einer Ausführungsform der Erfindung an einer Seite mittels eines Lagers oder alternativ an beiden Seiten jeweils mittels eines Lagers an dem Primärflansch gelagert. In einer weiteren Alternative sind der Wälzkörper und eine Zusatzmasse mittels eines Lagers an dem Primärflansch gelagert. Es können so beliebige Kombinationen einer einseitigen Lagerung oder einer Fest- Loslagerung gewählt werden. Das bzw. die Lagersind vorzugsweise Wälzlager, die kostengünstig und mit langer Lebensdauer als Standardbauteile verfügbar sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Drehmomentübertragungseinrichtung eine Einrichtung zur Begrenzung des übertragenen Drehmomentes, beispielsweise indem Teile des Federelementes und der Rotationskörper auf Block gehen oder durch sonstige Anschlagmittel oder eine Rutschkupplung oder dergleichen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Federsteifigkeit des Federelementes, ein Radius R des Kontaktes des Rotationskörpers mit dem Federelement, ein Radius r des Rotationskörpers und ein Trägheitsmoment des Rotationskörpers so aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei einer bestimmten Drehzahl die wechselnden Momente des Federelementes und die Beschleunigungsmomente des Rotationskörpers kompensieren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Federsteifigkeit des Federelementes, ein Radius R des Kontaktes des Rotationskörpers mit dem Federelement, ein Radius r des Rotationskörpers und ein Trägheitsmoment des Rotationskörpers so aufeinander abgestimmt sind, dass sich in einem bestimmten Drehzahlbereich die wechselnden Momente des Federelementes und die Beschleunigungsmomente des Rotationskörpers kompensieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung in einer Prinzipdarstellung in der Draufsicht,
2 einen Schnitt A-A in 1 für ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rotationskörpers einer erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung,
3 einen Schnitt A-A in 1 für ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rotationskörpers einer erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung,
4 einen Schnitt A-A in 1 für ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rotationskörpers einer erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung,
5 einen Schnitt A-A in 1 für ein viertes Ausführungsbeispiel eines Rotationskörpers einer erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung,
6 die Eingriffsgeometrie einer erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung in einer ersten Stellung,
7 die Eingriffsgeometrie einer erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung in einer zweiten Stellung,
8 einen Momentenverlauf über den Schwingwinkel,
9 einen Momentenverlauf über der Drehzahl.

Eine Drehmomentübertragungseinrichtung 1 umfasst einen primärseitigen Primärflansch 2 als Eingangsteil und ein sekundärseitigen Sekundärflansch 3 als Ausgangsteil. Die Drehmomentübertragungseinrichtung 1 kann beispielsweise im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zwischen der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors und einer Eingangswelle einer Doppelkupplung für ein Doppelkupplungsgetriebe angeordnet werden. Dabei wird der Primärflansch 2 als Eingangsteil mit der Kurbelwelle verschraubt und der Sekundärflansch 3 als Ausgangsteil beispielsweise mittels einer Steckverzahnung mit der Eingangswelle der Doppelkupplung gekoppelt. Primärflansch 2 und Sekundärflansch 3 sind um eine gemeinsame Rotationsachse RA drehbar gelagert. Die Rotationsachse RA ist in Einbaulage die Achse, um die die Drehmomentübertragungseinrichtung 1 drehbar gelagert ist. Im Folgenden wird unter der axialen Richtung die Richtung parallel zur Rotationsachse RA, unter der radialen Richtung eine Richtung senkrecht zur Rotationsachse RA und unter der Umfangsrichtung eine Drehung um die Rotationsachse RA verstanden.
Der Sekundärflansch 2 und der Primärflansch 3 sind gegen ein durch ein Übertragungsmittel 4 bereitstellbares Rückstellmoment relativ zueinander verdrehbar. Das Übertragungsmittel 4 umfasst zwei Federelemente 5 die an dem Sekundärflansch 3 beispielsweise verschraubt oder vernietet ist. Jedes Federelement 5 umfasst Arme 6. Diese umfassen jeweils Befestigungsbereiche 7, mit denen diese an dem Sekundärflansch befestigt sind, im Wesentlichen schleifenförmig halbrund verlaufende Armteile 8 und im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Armteile 9. Letztere können gegen die Federkraft der Armteile 9 radial nach innen gedrückt werden. Das Übertragungsmittel 4 umfasst des Weiteren Rotationskörper 10 und eine ringförmige Abrollfläche 11 des Primärflanschs 3. Jeweils ein Rotationskörper 10 ist einerseits mit der jeweils zugeordneten Oberfläche eines Armteils 9 und andererseits mit der ringförmigen Abrollfläche 11 des Primärflanschs 3 in Kontakt. Bei einer Relativverdrehung zwischen Sekundärflansch 2 und Primärflansch 3 rollen der Rotationskörper 10 sowohl auf dem Armteil 9 als auch auf der Abrollfläche 11 des Primärflanschs 3 ab. Dabei wird der jeweilige Armteil 10 radial nach innen gedrückt. An der Kontaktfläche zwischen Rotationskörper 10 und dem Armteil 9 wirkt eine senkrecht zur Tangente im Kontaktpunkt wirksame Druckkraft. Durch die nicht senkrecht zur radialen Richtung verlaufende Tangente hat diese eine Komponente tangential zur Umfangsrichtung und eine Komponente in radialer Richtung. Die Komponente tangential zur Umfangsrichtung dient der Übertragung eines Drehmomentes und bewirkt, falls größer als das zu übertragende Drehmoment, eine Rückstellkraft in die Neutralstellung. Je größer die Relativverdrehung zwischen Sekundärflansch 2 und der Primärflansch 3, desto größer ist das zwischen beiden wirkende Rückstellmoment. Der Momentenverlauf hängt von der Geometrie der Armteile 9 ab und kann durch entsprechende Gestaltung dieser in ihrem Verlauf über den Verdrehwinkel variiert werden. Das Rückstellmoment hängt darüber hinaus vom Elastizitätsmodul des Federelementes 5 und der Geometrie (dem Querschnittsverlauf) der Armteile 8, 9 ab.
Die Rotationskörper 10 sind, wie nachfolgend anhand der 2 bis 5 dargestellt, an dem Primärflansch 3 befestigt. Die Position der Rotationskörper 10 auf dem Armteil 9 und damit der Weg, um den der jeweilige Armteil 9 nach innen gedrückt wird, wird durch das zwischen Sekundärflansch 2 und Primärflansch 3 übertragene Drehmoment bestimmt. Das Drehmoment kann dabei positiv oder negativ sein, kann also in beide relativen Verdrehrichtungen übertragen werden.
Der Primärflansch 3 umfasst, wie in den 2 bis 5 gezeigt, einen Scheibenflansch 12 und einen mit diesem einstückig beispielsweise durch Blechumformung hergestellten Topf 13.
Die 2 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Rotationskörper 10 und deren primärseitige Lagerung. Die Rotationskörper 10 weisen jeweils einen zylindrischen Wälzkörper 14 auf, von dem ein Teil mit dem Armteil 9 eines der Federelemente 5 in Kontakt ist. An dem Wälzkörper 14 ist eine Trägheitsrolle 15 wie in den Ausführungsbeispielen der 2, 4 und 5 oder zwei Trägheitsrollen 16, 17 wie im Ausführungsbeispiel der 3 als Zusatzmasse(n) angeordnet. Die Rotationskörper 10 sind mit Lagern 18, 19 um eine Rotationsachse S drehbar an dem Scheibenflansch 12 und/oder dem Topf 13 gelagert. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist der Wälzkörper 14 mit einem Lager 18 und die Trägheitsrolle 15 mit einem Lager 20 an der Primärseite 2 gelagert.
Der Schwerpunkt der Trägheitsrollen 15, 16 und 17 sowie der Schwerpunkt der Wälzkörper 14 liegt bei allen Ausführungsbeispielen auf der Rotationsachse S. Der Durchmesser der Trägheitsrollen 15, 16, 17 kann größer oder kleiner als der Durchmesser der Wälzkörper 14 sein.
Nachfolgend wird die Auslegung der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungseinrichtung 1 anhand der Skizzen der 6 bis 9 veranschaulicht. Zuerst wird ein stationärer Lastpunkt betrachtet und wird angenommen, dass die Steifigkeit des elastischen Elements des ZMSs bzw. die Drehmomentkennlinie vorgegeben ist.
Ein stationärer Lastpunkt bedeutet: Der Mittelwert des Anregungsmoments ist konstant (M*= konst), die wechselnde Komponente hat eine konstante Amplitude (A_M) und ändert sich annäherungsweise harmonisch mit der drehzahlproportionalen Frequenz (typisches Verhalten eines Verbrennungsmotors). $M = M * + A_{M} \cdot s i n (q \cdot Ω \cdot t)$
Wobei M* der Mittelwert des Drehmomentes in Nm; AM dieAmplitude des Drehmomentes in Nm; q die Anzahl der Zündungen pro eine Umdrehung, Ω die Drehzahl des Motors in rad/s; t die Zeit in s ist.
Die Steifigkeit der Drehmomentkennlinie ist nicht konstant, aber für kleine Momentschwankungen um einen bestimmten Punk, kann es angenommen werden, dass sie sich nicht ändert (siehe 8).
Der Schwingwinkel kann dann so beschrieben werden: $φ = φ * + A_{φ} \cdot s i n (q \cdot Ω \cdot t)$
wobei φ* der Mittelwert und A_φ die Schwingamplitude ist.
Für die Schwingamplitude A_φ gilt: $A_{φ} = A_{M} / c *$
wobei c* die lokale Steifigkeit [Nm/rad] ist.
Bei der relativen Bewegung der Primärseite zur Sekundärseite findet die Rotation von den Abstützrollen statt. Der Winkel der Rolle kann mit folgender Formel beschrieben werden: $φ_{R o l l e} = φ_{R o l l e}^{*} + A_{φ R o l l e} \cdot s i n (q \cdot Ω \cdot t)$
wobei φ*_Rolle der Mittelwinkel der Rolle und A_φRolle die Schwingamplitude der Rolle ist.
Das Beschleunigungsmoment der Rolle ist gleich: $M_{B R o l l e} = {\ddot{φ}}_{R o l l e} \cdot J_{R o l l e}$
wobei J_Rolle das Trägheitsmoment der Rolle um eigene Drehachse [kg*m²] ist.
Aus den Gleichungen (4) und (5) folgt: $M_{B R o l l e} = - J_{R o l l e} \cdot A_{φ R o l l e} \cdot q^{2} \cdot Ω^{2} \cdot s i n (q \cdot Ω \cdot t)$
Aus den Gleichungen (1) und (3) folgt, dass der Wechselanteil des Moments des elastischen Elements gleich ist: $M_{E M W} = c * \cdot A_{φ R o l l e} \cdot s i n (q \cdot Ω \cdot t)$
Diese Wechselmomente haben die gleiche Frequenz q·Ω·t , schwingen allerdings gegenphasig. Das bedeutet, das sie sich kompensieren können. Nach der Betrachtung der kinematischen Randbedingungen kommt man zu folgendem Ergebnis: $Ω = \sqrt{\frac{c *}{q^{2} \cdot \frac{R}{r} \cdot (\frac{R}{r} + 1) \cdot J_{R o l l e}}}$
wobei ^R der Abstand zwischen Achse z und dem Punkt K ist und ^r der Abrollradius der Rolle (beides in mm) ist.
Aus Formel 8 folgt, dass es für eine bestimmte Federsteifigkeit möglich ist eine Kombination von geometrischen Parametern (Radien R und r, siehe 6) und der Trägheit der Rolle zu finden, bei der sich die Wechselmomente bei einer Drehzahl Ω vollständig kompensieren. Es wird kein Wechselmoment von der Primärseite 2 zu der Sekundärseite 3 übertragen.
Für einen nicht stationären Lastfall, z.B. Vollgas, ist eine typische Drehmomentkennlinie in 9 gezeigt.
Das Moment steigt linear im Bereich Ω₁ - Ω₂ mit der Drehzahl (z. B. Beschleunigung eines Fahrzeugs beim Vollgas).
Da die Kennlinie des elastischen Elements frei gestaltbar ist, ist es möglich die Steifigkeit so zu bestimmen: $c \sim k_{1} \cdot M^{2}$
Wobei k₁ ein Koeffizient und M das Drehmoment ist.
Für den Drehzahlbereich Ω₁; Ω₂ gilt: $M = k_{2} \cdot Ω$
wobei k₂ - ein Koeffizient, -.
Dann aus 9 und 10 folgt: $c \sim k_{1} \cdot k_{2}^{2} \cdot Ω^{2}$
Im Drehzahlbereich Ω₁ - Ω₂ bei der Volllast kann die Bedingung der Gleichung (8) für alle Drehzahlen erfüllt sein. Das bedeutet volle gegenseitige Kompensation der Wechselmomente im ganzen Drehzahlbereich Ω₁ - Ω₂ bei Volllast.
Auf diese Weise können die Federsteifigkeit, die Radien R und r und die Trägheit der Rolle so ausgewählt werden, dass in einem Drehzahlbereich mit steigendem Drehmoment (nicht unbedingt Volllast, kann auch ein anderer Lastfall sein) die wechselnden Momente des elastischen Elements (des Federblattes) und die Beschleunigungsmomente der Rollen sich kompensieren.
Um eine unabhängige Änderung von Radien R und r und die Trägheit der Rolle zu ermöglichen wird die Rolle mehrstufig und / oder mehrteilig gestaltet wie in den 2 bis 5 gezeigt.
Bezugszeichenliste

1: Drehmomentübertragungseinrichtung
2: Primärflansch
3: Sekundärflansch
4: Übertragungsmittel
5: Federelement
6: Arm
7: Befestigungsbereich
8,9: Armteile
10: Rotationskörper
11: Abrollfläche
12: Scheibenflansch
13: Topf
14: Wälzkörper
15, 16, 17: Trägheitsrolle
18, 19,20: Wälzlager
R: Abstand Eingriff Wälzkörper mit Federelement zur Rotationsachse RA
RA: Rotationsachse Drehmomentübertragungseinrichtung
S: Rotationsachse Rotationskörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015118713 A1 [0002]
DE 102016124412 A1 [0002]
DE 102018207574 A1 [0004]

Claims

Drehmomentübertragungseinrichtung (1) umfassend einen Sekundärflansch (3) und einen Primärflansch (2), die gegen ein durch ein Übertragungsmittel (4) bereitstellbares Rückstellmoment relativ zueinander verdrehbar sind, wobei das Übertragungsmittel (4) mindestens ein Federelement (5) umfasst, das an dem Sekundärflansch (3) befestigt ist und mindestens einen federnd beweglichen Armteil (9) aufweist, der über einen Rotationskörper (10) mit dem Primärflansch (2) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (10) einen Wälzkörper (14) und mindestens eine Zusatzmasse (15) umfasst.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (10) einen Wälzkörper (14) und zwei Zusatzmassen (16, 17) umfasst.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwerpunkt der Zusatzmasse(n) (15, 16, 17) auf einer Rotationsachse (S) des Rotationskörpers (14) liegt.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (14) an einer Seite mittels eines Lagers an dem Primärflansch (2) gelagert ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (14) an beiden Seiten jeweils mittels eines Lagers (18, 19) an dem Primärflansch (2) gelagert ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (14) und eine Zusatzmasse (15) mittels eines Lagers (18, 20) an dem Primärflansch (2) gelagert sind.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die Lager (18, 18, 20) (ein) Wälzlager ist bzw. sind.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Einrichtung zur Begrenzung des übertragenen Drehmomentes umfasst.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit des Federelementes (5), ein Radius R des Kontaktes des Rotationskörpers mit dem Federelement, ein Radius r des Rotationskörpers (19) und ein Trägheitsmoment des Rotationskörpers (10) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei einer bestimmten Drehzahl die wechselnden Momente des Federelementes (5) und die Beschleunigungsmomente des Rotationskörpers (10) kompensieren.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit des Federelementes (5), ein Radius R des Kontaktes des Rotationskörpers mit dem Federelement, ein Radius r des Rotationskörpers (19) und ein Trägheitsmoment des Rotationskörpers (10) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich in einem bestimmten Drehzahlbereich (mit steigendem Drehmoment) die wechselnden Momente des Federelementes (5) und die Beschleunigungsmomente des Rotationskörpers (10) kompensieren.