DE102021130879A1

DE102021130879A1 - Schraubendruckfeder, insbesondere für eine Drehschwingungsisolationseinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102021130879A1
Application number: DE102021130879.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Mathe
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraubendruckfeder mit einer Mehrzahl von Windungen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Um die Schraubendruckfeder kostengünstig beziehungsweise mit verbesserten Eigenschaften zu versehen, ist diese vergütet und nitriert ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubendruckfeder mit einer Mehrzahl von Windungen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Schraubendruckfedern mit zylindrisch gewickelten Windungen aus Stahl dienen in technischen Prozessen der Speicherung von potenzieller Energie. Beispielsweise wird in Drehschwingungsisolationseinrichtungen kurzzeitig eingetragene kinetische Energie gespeichert und zeitlich wieder abgegeben, um Drehmomentspitzen zu dämpfen oder zu tilgen. Aufgrund steigender Anforderungen wie beispielsweise kleine Bauräume, flache Kennlinien und dergleichen werden höhere Spannungen der Schraubendruckfedern notwendig. Dies führt zu höheren Legierungen der verwendeten Federstahldrähte und damit zu erhöhten Fertigungskosten.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Schraubendruckfeder und eines Verfahrens zu deren Herstellung. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, eine Schraubendruckfeder, die kostengünstig herzustellen ist und/oder verbesserte Eigenschaften aufweist, beziehungsweise ein Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Die von den Ansprüchen 1 beziehungsweise 6 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Gegenstände der Ansprüche 1 beziehungsweise 6 wieder.
Die vorgeschlagene Schraubendruckfeder enthält eine Mehrzahl von zylindrisch um eine Achse gewickelten, denselben oder entlang der Achse einen unterschiedlichen, das heißt variierenden Durchmesser aufweisenden Windungen. Die Schraubendruckfeder kann gerade, das heißt, mit entlang einer linearen Achse angeordneten Windungen oder als sogenannte Bogenfeder ausgebildet sein, deren Windungen entlang einer gebogenen Achse angeordnet sind. Beispielsweise kann eine derartige Bogenfeder auf einen vorgegebenen Einsatzdurchmesser vorgebogen gewickelt sein. Die Schraubendruckfeder ist aus Federstahldraht hergestellt. Die beidseitigen Stirnseiten sind bevorzugt plangeschliffen, wobei gegenüber der Achse abhängig von den Einsatzbedingungen und einer optimalen Krafteinleitung ein rechtwinkliger oder gegenüber der Achse geneigter Anstellwinkel zumindest einer Seite vorgesehen sein kann. Um einen Federstahldraht aus kostengünstigem Stahl oder gegebenenfalls aus höherwertigem Stahl bei vorgegebenem kleinem Bauraum und hohen Spannungen vorschlagen zu können, ist die Schraubendruckfeder vergütet und nitriert. Hierdurch ergeben sich für eine derart behandelte Schraubendruckfeder folgende Vorteile:

Die Schraubendruckfeder weist infolge der Nitrierung der Oberfläche beispielsweise hohe Druckeigenspannungen an deren Oberfläche und hohe Festigkeiten auf, so dass sich eine erhöhte Lebensdauer bei geringen Setzverlusten ergibt. Durch die Vergütung ist die Verwendung eines üblichen, kostengünstigen Vergütungsstahls möglich, wobei durch die Anwendung eines Härteprozesses die Eigenspannung der Schraubendruckfeder nach dem Winden abgebaut wird. Weiterhin ist mittels einer konstant einstellbaren Härte die Schraubendruckfeder weniger spröde und dadurch robuster. Durch die Kombination eines Vergütungsprozesses mit einem Nitrierprozess kann eine kostengünstige Schraubendruckfeder mit sich ergänzenden positiven Eigenschaften beider Prozesse resultieren.

Beispielsweise kann die Vergütung der vorgeschlagenen Schraubendruckfeder einen Härtevorgang und/oder einen Anlassvorgang enthalten, so dass diese gehärtet und/oder angelassen ist. Anschließend wird ein Nitriervorgang, insbesondere in Form eines Gasnitrierungsprozesses durchgeführt, so dass die Schraubendruckfeder nitriert, insbesondere gasnitriert ist.
Unter Härten ist das Erwärmen der Schraubendruckfeder nach dem Winden, das heißt, Herstellung der Windungen, auf eine vorgegebene Härtetemperatur (Austenitisieren) und nachfolgendes Abkühlen mit einer solchen Geschwindigkeit, die eine erhebliche Härtesteigerung durch die Bildung von Martensit zur Folge hat, zu verstehen. Nach dem Härten können hohe Spannungen im spröden Martensit unmittelbar durch ein Anlassen abgebaut werden. Unter Anlassen ist das Erwärmen der beispielsweise martensitisch gehärteten Schraubendruckfeder auf eine Temperatur unterhalb einer vorgegebenen Umwandlungstemperatur des Martensits, das Halten bei dieser Temperatur sowie das nachfolgende, dem Zweck entsprechende Abkühlen zu verstehen. Die Anlasstemperatur richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften der Schraubendruckfeder.
Zur Minderung der Sprödigkeit und Abbau von Eigenspannungen der Schraubendruckfeder können beispielsweise Anlasstemperaturen zwischen 100° bis 250°C vorgesehen sein, ohne die erzielte Härte und Festigkeit wesentlich zu verringern.
Zur Verbesserung der Zähigkeit beziehungsweise einer Einstellung einer gewünschten Festigkeit bei optimaler Zähigkeit der Schraubendruckfeder können beispielsweise Anlasstemperaturen zwischen 500° bis 650°C vorgesehen sein. Dazwischen liegende Anlasstemperaturen können beispielsweise beide Vorteile auf sich vereinigen.
Die Schraubendruckfeder ist in bevorzugter Weise aus standardisiertem Federstahldraht hergestellt, beispielsweise aus ölschlussvergütetem oder nicht ölschlussvergütetem Vergütungsstahl hergestellt. Beispielsweise kann die Schraubendruckfeder aus Federstahldraht gemäß DIN EN 10270-2 hergestellt sein. Beispielsweise kann der standardisierte Federstahldraht zwischen 0,5 und 0,7 Prozent Kohlenstoff, 0,10 bis 1,65 Prozent Silizium, 0,50 bis 1,20 Prozent Mangan, maximal 0,3 Prozent Phosphor, maximal 0,12 Prozent Kupfer und gegebenenfalls zwischen 0,50 und 1,00 Prozent Chrom und 0,10 bis 0,25 Prozent Vanadium enthalten.
Alternativ zur Bereitstellung verbesserter Eigenschaften, das heißt beispielsweise einer verbesserten Spannung der Schraubendruckfeder kann der Federstahldraht nicht standardisiert ausgebildet sein und einen höheren Anteil an Legierungsbestandteilen enthalten, beispielsweise gegenüber einem Federstahldraht mit der Zusammensetzung nach DIN EN 10270-2 höher legiert und nicht ölschlussvergütet oder ölschlussvergütet ausgebildet sein.
Mehrere der vorgeschlagenen Schraubendruckfedern, beispielsweise Bogenfedern können für eine Drehschwingungsisolationseinrichtung, beispielsweise einen Drehschwingungsdämpfer oder einen Drehschwingungstilger vorgesehen sein. Beispielsweise können mehrere, über den Umfang verteilt und bevorzugt bezüglich ihrer Achse in Umfangsrichtung ausgerichtet angeordnet sein, wobei die Schraubendruckfedern in einem Drehschwingungsdämpfer an ihren Stirnseiten jeweils eingangsseitig und ausgangsseitig und die Stirnseiten in einem Drehschwingungstilger jeweils wirksam zwischen einem drehangetriebenen Bauteil und zumindest einer Tilgermasse angeordnet sind. Beispielsweise können derartige Drehschwingungsisolationseinrichtungen an der Kurbelwelle beispielsweise als Zweimassenschwungrad, in einer Kupplungsscheibe, in einem hydrodynamischen Drehmomentwandler, als Riemenscheibendämpfer, als Kurbelwellenwangentilger oder dergleichen vorgesehen sein.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung der vorgeschlagenen Schraubendruckfeder enthält folgende Verfahrensschritte:

- Winden eines Federstahldrahts,
- Vergütung,
- Nitrieren.

Hierbei kann das vorgeschlagene Verfahren folgende detaillierte Verfahrensschritte enthalten:

- Winden eines Federstahldrahts,
- Härten,
- Anlassen,
- Schleifen der Stirnseiten der Schraubendruckfeder,
- Reinigungsstrahlen,
- Nitrieren.

Zudem kann nach dem Nitrieren ein Verfestigungsstrahlen, beispielsweise mittels beispielsweise durch Pressluft oder Fliehkraft beschleunigter kugelförmiger Partikel erfolgen. Beispielsweise kann sich dem Nitrieren, insbesondere dem Verfestigungsstrahlen eine weitere Wärmebehandlung der Schraubendruckfeder anschließen. Abschließend kann die Schraubendruckfeder einer Konservierungsbehandlung, beispielsweise Einölen, Einfetten, Silikonisieren oder dergleichen unterzogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 10270-2 [0010, 0011]

Claims

Schraubendruckfeder mit einer Mehrzahl von Windungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubendruckfeder vergütet und nitriert ist.
Schraubendruckfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubendruckfeder gehärtet oder angelassen und anschließend nitriert, insbesondere gasnitriert ist.
Schraubendruckfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubendruckfeder aus standardisiertem Federstahldraht, insbesondere ölschlussvergütet hergestellt ist.
Schraubendruckfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubendruckfeder gegenüber einem standardisierten Federstahldraht höher legiert ausgebildet ist.
Schraubendruckfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für einen Drehschwingungsdämpfer oder einen Drehschwingungstilger.
Verfahren zur Herstellung einer Schraubendruckfeder gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Winden eines Federstahldrahts, - Vergütung, - Nitrieren.
Verfahren nach Anspruch 6 mit folgenden Verfahrensschritten: - Winden eines Federstahldrahts, - Härten, - Anlassen, - Schleifen der Stirnseiten der Schraubendruckfeder, - Reinigungsstrahlen, - Nitrieren.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Nitrieren ein Verfestigungsstrahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Nitrieren eine Wärmebehandlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubendruckfedern abschließend einer Konservierungsbehandlung unterzogen werden.