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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 14. Mai 2013 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung, deren Inhalt hiermit durch Verweis wie in detaillierter Form umfassend dargestellt einbezogen wird.
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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Spannvorrichtungen für Endlos-Antriebselemente, wie beispielsweise Riemen, und insbesondere Spannvorrichtungen mit Dämpfelementen.
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Hintergrund
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Spannvorrichtungen für Endlos-Antriebselemente, wie beispielsweise Riemen, sind in der Technik bekannt. Es ist zweckmäßig, eine Spannvorrichtung mit einer bestimmten Form von Dämpfung zu versehen, um so die Entstehung von Resonanz in der Spannvorrichtung zu verhindern, wenn sie Vibrationen an dem gespannten Riemen ausgesetzt ist. Allgemein besteht Bedarf nach verbesserter Dämpfung, da das Maß an Dämpfung, das bestimmte Spannvorrichtungen bieten, nicht ausreicht, um Resonanz in einem breiten Spektrum von Bedingungen zu verhindern.
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Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass bestimmte Spannvorrichtungen aufgrund von ungleichmäßigem Verschleiß an einer Buchse, die sich zwischen den stationären und den dreh- bzw. schwenkbaren Abschnitten der Spannvorrichtung befindet, vorzeitig ausfallen. Es wäre vorteilhaft, das Problem von ungleichmäßigem Verschleiß an der Buchse zu lösen.
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Zusammenfassung
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Zur Lösung des beschriebenen Problems wird eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben. Darüber hinaus wird eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 10 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.“
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Figurenliste
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Die vorliegende Offenbarung wird im Folgenden lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
- 1 und 2 eine Draufsicht auf eine Spannvorrichtung gemäß dem Stand der Technik und eine Seitenansicht derselben sind;
- 3a und 3b eine Draufsicht auf eine Spannvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Seitenansicht derselben sind, wobei 3b eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 3b-3b in 3a ist;
- 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung der in 3a und 3b gezeigten Spannvorrichtung ist;
- 5 eine Draufsicht auf einen Abschnitt der in 3a und 3b gezeigten Spannvorrichtung ist, die einige Kräfte darstellt, die auf ausgewählte Elemente der Spannvorrichtung wirken;
- 5a und 5b Darstellungen in 5 gezeigter Kräfte unter bestimmten Umständen sind;
- 6a und 6b eine Draufsicht auf eine Spannvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Seitenansicht derselben sind, wobei 6b eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 6b-6b in 6a ist;
- 7 eine perspektivische Explosionsdarstellung der in 6a und 6b gezeigten Spannvorrichtung ist;
- 8 und 8a Draufsichten auf einen Abschnitt der in 6a und 6b gezeigten Spannvorrichtung sind, die einige Kräfte darstellen, die auf ausgewählte Elemente der Spannvorrichtung wirken;
- 9a und 9b Seitenansichten eines Abschnitts der in 6a und 6b gezeigten Spannvorrichtung sind, die einige Kräfte darstellen, die auf ausgewählte Elemente der Spannvorrichtung wirken;
- 10a-10f alternative Konstruktionen für ein Dämpfelement zeigen, das Teil der in 3a und 3b gezeigten Spannvorrichtung ist;
- 11a ein Diagramm ist, das das Drehmoment darstellt, das durch die in 1 und 2 gezeigte Spannvorrichtung erzeugt wird; und
- 11 b ein Diagramm ist, das das Drehmoment darstellt, das durch die in 3a und 3b gezeigte Spannvorrichtung erzeugt wird.
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Ausführliche Beschreibung
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Es wird auf 1 und 2 Bezug genommen, die ausgewählte Elemente einer Spannvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik zeigen, die eingesetzt wird, um Spannung an einem Riemen 12 aufrechtzuerhalten, der von einer Motor-Kurbelwelle (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) angetrieben wird. Die Spannvorrichtung 10 enthält einen Träger (nicht dargestellt), der üblicherweise an dem Motor angebracht ist, einen Spannarm 14, der relativ zu dem Träger um eine Schwenkachse Aa des Arms herum geschwenkt werden kann, eine Riemenscheibe 16, die an dem Spannarm 14 um eine Achse Ap der Riemenscheibe herum gedreht werden kann, eine Spannfeder 18, die den Spannarm 14 in einer ausgewählten Richtung, das heißt, in der in 1 gezeigten Ansicht entgegen dem Uhrzeigersinn, drückt, sowie ein Dämpfelement 20. In 1 ist nur ein Teil der Spannfeder dargestellt. Die Spannfeder 18 kann beispielsweise eine Torsions-Schraubenfeder sein, die ein erstes Ende (nicht dargestellt), das mit einer Eingriffsfläche für das erste Ende an dem Träger in Eingriff ist, und ein zweites Ende 22 hat, das mit einer Eingriffsfläche 23 für das zweite Ende an dem Arm 14 in Eingriff ist. Der Riemen 12 übt eine Naben- bzw. Achslast auf die Riemenscheibe 16 aus, durch die der Arm 14 in einer ersten Richtung gedrückt wird, die eine Richtung ist, in der gespeicherte potentielle Energie der Feder 18 vergrößert wird (in der in 1 gezeigten Ansicht im Uhrzeigersinn). Die erste Richtung ist mit Pfeil D1 gekennzeichnet. Die Feder 18 wirkt der durch den Riemen 12 ausgeübten Achslast entgegen und drückt den Spannarm 14 in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist und die eine Richtung ist, in der gespeicherte potentielle Energie der Feder 18 verringert wird. Die erste Richtung kann auch als eine Feder-Aufwickelrichtung bezeichnet werden, und die zweite Richtung kann auch als eine Feder-Löserichtung bzw. Feder-Rückstellrichtung bezeichnet werden. Das Dämpfelement 20 übt eine Reibungskraft auf den sich bewegenden Spannarm 14 aus, die der Bewegung des Spannarms 14 Widerstand entgegensetzt, um so zu verhindern, das Vibrationen an dem Riemen 12 Resonanz an dem Spannarm 14 verursachen.
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1 zeigt ein Freikörperbild eines Abschnitts der Spannfeder 18, das das zweite Ende 22 und das Dämpfelement 20 einschließt. Eine Kraft Fa wirkt, wie in 1 zu sehen ist, auf das Ende 22 der Feder 18. Dies ist die Kraft, mit der der Arm 14 durch den Riemen 12 in der ersten Richtung gezogen wird. Die Kraft Fa kann als die Arm-Kraft bezeichnet werden. Aufgrund der Kraft Fa öffnet sich die Feder 18 in radialer Richtung und drückt das Dämpfelement 20 an die Innenfläche 24 eines Hülsenabschnitts des Trägers. Durch den Hülsenabschnitt des Trägers wird eine Rückwirkungskraft auf die Außenfläche (mit 26 dargestellt) des Dämpfelementes 20 ausgeübt. Die Rückwirkungskraft ist mit N gekennzeichnet und ist normal, d.h. senkrecht, zu der Außenfläche 26 des Dämpfelementes 20 gerichtet. Die Normalkraft N wirkt in einem kleinen Winkel relativ zu der Kraft Fa. Aufgrund des Eingriffs des Dämpfelementes 20 und des Hülsenabschnitts des Trägers an dem Punkt, an dem Kraft N ausgeübt wird, ergibt sich eine resultierende Reibungskraft, die mit t gekennzeichnet ist und von der Innenfläche 24 sowie dem Dämpfelement 20 ausgeübt wird. Die Reibungskraft zwischen dem Träger und dem Dämpfelement hängt, wie bekannt ist, direkt von der Normalkraft N ab, die zwischen ihnen wirkt. Die Reibungskraft t, die Normalkraft N und die Arm-Kraft Fa summieren sich zu Null, wenn sich der Arm 14 und der Federabschnitt, die dargestellt sind, im Gleichgewicht befinden. Ein Moment M, das auf den Spannfederabschnitt wirkt, wirkt dem Gesamtmoment entgegen, das aus den Kräften Fa und N resultiert, wobei das Gesamtmoment aus dem Abstand zwischen den zwei Kräften Fa und N resultiert (der Abstand ist mit L2 dargestellt).
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2 zeigt ein Freikörperbild des Spannarms 14 und der Riemenscheibe 16. Die Achslast ist mit Fh dargestellt. Die Kraft des Endes 22 an der Eingriffsfläche 23 für das zweite Ende ist Fa. Eine Buchsen-Last Fbush wirkt zwischen einer Buchse 27, die sich zwischen einem Wellenabschnitt 28 des Spannarms 14 und einem inneren Hülsenabschnitt (nicht dargestellt) des Trägers befindet. Die Buchse 27 ist mit Strich-Punkt-Linien dargestellt, um sie in einer transparenten Form zu zeigen und den Wellenabschnitt 28 nicht zu verdecken. Die Buchsen-Last Fbush wirkt, wie zu sehen ist, auf einen relativ tief liegenden Abschnitt an der Buchse 27, um ein Gleichgewicht mit den Kräften Fp und Fa zu erzeugen. Dies kann lokal begrenzten Verschleiß an der Buchse 27 verursachen, der schließlich zu Schlagen bei Bewegung des Spannarms 14 führt. Dies kann letztendlich zum Ausfall der Spannvorrichtung 10 führen.
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Für einige Einsatzzwecke wäre es vorteilhaft, eine Spannvorrichtung zu schaffen, die ein vergleichsweise größeres Maß an Dämpfung (das heißt, eine stärkere Reibungskraft) ermöglicht, die Bewegung des Spannarms 14 entgegenwirkt. Es wäre auch vorteilhaft, eine Spannvorrichtung zu schaffen, die gleichmäßigeren Verschleiß an der Buchse 27 ermöglicht.
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Das in 11a gezeigte Diagramm stellt eine Kurve 50 dar, die repräsentativ für das Drehmoment ist, das in dem Spannarm 14 bei einer bestimmten Winkelposition des Arms 14 erzeugt wird. Der obere Abschnitt (mit 50a gekennzeichnet) der Kurve 50 zeigt das Drehmoment, das erzeugt wird, wenn sich der Arm 14 in der ersten Richtung bzw. der Feder-Aufwickelrichtung bewegt. Der untere Abschnitt (mit 50b gekennzeichnet) der Kurve 50 zeigt das Drehmoment, das erzeugt wird, wenn sich der Arm 14 in der zweiten Richtung bzw. der Feder-Löserichtung bewegt.
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Bezug genommen wird auf 3a, 3b, 4 und 5, die eine Spannvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Die Spannvorrichtung 100 weist stärkere Dämpfung auf als die Spannvorrichtung 10. Die Spannvorrichtung 100 enthält einen Träger 113, einen Spannarm 114, eine Riemenscheibe 116, eine Spannfeder 118, ein Dämpfelement 120 und eine Buchse 127. Der Träger 113 weist eine innere Hülse 113a und eine äußere Hülse 113b auf. Der Träger 113 enthält des Weiteren Anbringungsstrukturen 117 (zum Beispiel Öffnungen), mit denen der Träger 113 auf bekannte Weise (zum Beispiel über Gewinde-Befestigungselemente, die durch die Öffnungen in entsprechende Öffnungen in einem Motorblock hindurchtreten) an einem stationären Element, wie beispielsweise dem Motorblock (in 3a mit 115 gekennzeichnet), angebracht wird.
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Der Spannarm 114 enthält eine Welle 114a, die in einer Mittelöffnung 113c des Trägers 113 um eine Schwenkachse Aa des Spannarms herum geschwenkt wird. Die Buchse 127 lässt die Welle 114a und die mit 113d gekennzeichnete Wand der Mittelöffnung 113c des Trägers 113 in einem bestimmten Maß zueinander gleiten. Das heißt, die Buchse bewirkt ein ausgewähltes (vorzugsweise geringes) Maß an Reibung zwischen der Welle 114a und der Wand 113d der Mittelöffnung.
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Die Riemenscheibe 116 kann an dem Spannarm 114 um eine Achse Ap der Riemenscheibe herum gedreht werden, die von der Achse Aa beabstandet ist. Die Riemenscheibe 116 ist mit dem Riemen 12 in Eingriff. Die Riemenscheibe 116 kann stattdessen jedes beliebige andere geeignete Element zum Eingriff mit einem Endlos-Antriebselement sein, das mit jedem beliebigen anderen geeigneten Endlos-Antriebselement statt eines Riemens in Eingriff ist.
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Die Riemenscheibe 116 ist über ein Riemenscheiben-Befestigungselement 123 (zum Beispiel eine Passschraube) an dem Spannarm 114 angebracht. Ein Staubschutz 125 deckt die Riemenscheibe 116 ab und wird ebenfalls mit dem Befestigungselement fixiert. Der Einfachheit halber ist die Riemenscheibe 116 in der Schnittansicht in 3b nicht dargestellt, während die anderen Komponenten der Spanneinrichtung 100 dargestellt sind.
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Die Spannfeder 118 wirkt zwischen dem Träger 113 und dem Arm 114 und drückt den Spannarm 114 in einer Feder-Löserichtung (d.h. zu dem Riemen 12 hin), um so der durch den Riemen 12 auf die Riemenscheibe 116 ausgeübten Last entgegenzuwirken. Die Feder 118 hat ein erstes Ende 118a (4) sowie ein zweites Ende 118b (5) und kann eine Torsions-Schraubenfeder sein, die eine Vielzahl von Windungen 118c zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 118a und 118b hat. Die Spannfeder 118 hat eine radial außen liegende Fläche 118d. Das erste Ende 118a ist mit dem Träger 113 über eine Kraftübertragungsfläche 119 des ersten Endes der Feder in Eingriff, die so positioniert ist, dass Kraft auf die/von der Feder 118 übertragen wird. Bei diesem Beispiel liegt direkter Eingriff zwischen dem ersten Ende 118a und der Kraftübertragungsfläche 119 vor. Das zweite Ende der Feder 118b ist mit dem Arm 114 über eine Kraftübertragungsfläche 121 des zweiten Endes der Feder in Eingriff. Hierbei handelt es sich, wie weiter unten beschrieben, um indirekten Eingriff.
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Das Dämpfelement 120 kann jeder beliebige geeignete Typ von Dämpfelement sein. In der dargestellten Ausführungsform enthält das Dämpfelement 120 beispielsweise ein Verstärkungselement 120a und ein Reibungselement 120b, das sich radial außerhalb des Verstärkungselementes 120a befindet und das (beispielsweise durch Umspritzen (overmolding)) fest an dem Verstärkungselement 120a angebracht wird. Die Verbindung zwischen dem Verstärkungselement 120a und dem Reibungselement 120b kann der in jeder der Ausführungsformen beschriebenen entsprechen, wie sie in der am 26. Oktober 2012 eingereichten PCT-Veröffentlichung
WO2013/059929 offenbart werden, deren Inhalt hiermit durch Verweis in seiner Gesamtheit einbezogen wird. Das Verstärkungselement 120a verleiht Festigkeit und stützt das Reibungselement 120b. Das Reibungselement 120b erzeugt einen ausgewählten Reibungskoeffizienten bei Gleitkontakt mit dem äußeren Hülsenabschnitt 113b. Das Verstärkungselement 120a kann beispielsweise aus Metall (zum Beispiel aus einem geeigneten Stahl) bestehen. Das Reibungselement 120b kann aus Polymer (zum Beispiel einem füllstofffreien Nylon) bestehen. Abriebkanäle 129 können in dem Reibungselement 120b vorhanden sein, um die Beseitigung von Abrieb zu unterstützen, der möglicherweise zwischen dem Reibungselement 120b und dem umgebenden Hülsenabschnitt 113b des Trägers 113 wandert.
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Es liegt auf der Hand, dass das Dämpfelement 120 so aufgebaut ist, dass es radiale Ausdehnung zulässt, so dass Abschnitte des Dämpfelementes 120 (oder seine Gesamtheit) in Eingriff mit dem umgebenden äußeren Hülsenabschnitt 113b des Trägers 113 gebracht werden können, um Reibung zwischen ihnen zu erzeugen. Bei dem dargestellten Aufbau wird die radiale Ausdehnung ermöglicht, indem das Dämpfelement 120 so ausgebildet wird, dass es C-förmig ist (das heißt, eine Form hat, die sich in Winkelrichtung nicht um volle 360° erstreckt). Beispielsweise kann sich das Dämpfelement 120 über ungefähr 320° oder über einen anderen geeigneten Winkelbereich erstrecken.
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Ein Federkraft-Einstellelement 130 ist Teil des Dämpfelementes 120. Das Federkraft-Einstellelement 130 hat eine erste Endfläche, an der das zweite Ende 118b der Feder 118 anliegt, sowie eine zweite Endfläche 130b, die selbst an der Kraftübertragungsfläche 121 für das zweite Ende der Feder anliegt. In Funktion wird Kraft zwischen dem zweiten Ende 118b der Feder 118 und dem Spannarm 114 über das Federkraft-Einstellelement 130 übertragen. Da sie zwischen dem zweiten Ende 118b der Feder 118 und der Kraftübertragungsfläche 121 an dem Arm 114 eingeschlossen sind, bewegen sich das Federkraft-Einstellelement 130 und das Dämpfelement 120 im Allgemeinen in Winkelrichtung mit dem Spannarm 114 und mit dem zweiten Ende 118b der Feder 118. Die Außenfläche des Dämpfelementes 120 ist in 3b mit 126 gekennzeichnet und kann mit der mit 128 gekennzeichneten Innenfläche der äußeren Hülse 113b des Trägers 113 in Eingriff gebracht werden. Da der Träger 113 stationär ist, kommt es, wenn relative Bewegung des Arms 114 an dem Träger (aufgrund einer Änderung der Bandspannung nach oben oder nach unten) stattfindet, zu einer entsprechenden relativen Bewegung des Dämpfelementes 120 und des Trägers 113 zueinander. Diese relative Bewegung bewirkt Gleiten des Arms 114 und des Trägers 113 zueinander und damit Reibung zwischen ihnen, so dass die Bewegung des Arms 114 gedämpft wird.
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Das Dämpfelement 120 kann in Umfangsrichtung in zwei Abschnitte unterteilt sein, das heißt, einen ersten Umfangs-Dämpfelement-Abschnitt 191 und zwei zweite Umfangs-Dämpfelement-Abschnitte 192. Der erste Umfangs-Dämpfelement-Abschnitt 191 schließt das Federkraft-Einstellelement 130 ein und kann relativ steif sein. Die zweiten Umfangs-Dämpfelement-Abschnitte 192 können flexibel mit dem ersten Abschnitt 191 verbunden sein. In der dargestellten Ausführungsform sind die zweiten Abschnitte 192 über ihren Umfang selbst flexibel (das heißt, nicht starr). Des Weiteren sind in der dargestellten Ausführungsform zwei zweite Abschnitte 192 vorhanden, das heißt, einer an jeder Seite des ersten Abschnitts 191. Als Alternative dazu kann ein Dämpfelement 120 vorhanden sein, das nur einen zweiten Abschnitt 192 aufweist (wie beispielsweise in 10b gezeigt). Als Alternative dazu kann eine Ausführungsform geschaffen werden, die einen starren ersten Abschnitt 191 (der das Federkraft-Einstellelement aufweist) hat und wenigstens einen zweiten Abschnitt 192 hat, der (zum Beispiel mittels eines Scharniers zwischen den beiden Abschnitten) flexibel mit dem ersten Abschnitt 191 verbunden ist, selbst jedoch starr ist.
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Durch das Vorhandensein des Federkraft-Einstellelementes 130 ändert sich, wie am besten in 5 zu sehen ist, die Position des zweiten Endes 118b der Feder 118 von einer Position, an der das Ende 118b der Feder direkt mit der Fläche 121 an dem Arm 114 in Eingriff ist, zu einer Position, an der wenigstens eine Komponente der Kraft des Endes 118b der Feder auf das Dämpfelement 130 (über Fläche) in der gleichen Richtung wirkt wie die von dem Spannarm 114 auf das Dämpfelement 130 über Fläche 130b ausgeübte Kraft. Es ist anzumerken, dass die über die Flächen und 130b auf das Dämpfelement 130 übertragenen Kräfte (mit Fb bzw. Fa gekennzeichnet) in einer Richtung übertragen werden, die senkrecht zu den Flächen und 130b ist. So sind, da die Fläche und die Fläche 130b wenigstens teilweise in die gleiche Richtung gewandt sind, die durch das Ende 118b der Feder und die Kraftübertragungsfläche 121 darauf ausgeübten Kräfte wenigstens teilweise additiv. In der dargestellten Ausführungsform haben die Flächen und 130b einen ausgewählten Winkelabstand von 120°, sie können jedoch andere Winkelabstände haben. Beispielsweise kann ein Abstand von ungefähr 180° vorteilhaft sein, da die Flächen und 130b parallel wären und dadurch die Kräfte Fa und Fb rein additiv wären, da sie in der gleichen Richtung ausgerichtet wären. Dadurch wäre die Normalkraft N1 stark, da sie der Summe der zwei Kräfte Fa und Fb entgegenwirken würde. Ein Abstand zwischen ungefähr 90° und 180° ist nach wie vor vorteilhaft. Ein Abstand von weniger als 90° (jedoch mehr als 0°) ist ebenfalls vorteilhaft, jedoch nicht in dem gleichen Maß wie ein Abstand in dem Bereich von ungefähr 90 bis ungefähr 180°. Dies hängt teilweise von dem insgesamt überstrichenen Winkel (overall swept angle) des Dämpfelementes 120 und davon ab, ob ausreichend Raum für die Feder 118 zum Eingriff mit dem verfügbaren Abschnitt des Dämpfelementes 120 vorhanden ist, um die Reibungskraft t2 vollständig zu erzeugen.
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5 ist ein Freikörperbild. Zunächst werden die Kräfte beschrieben, die auf das Dämpfelement 120 wirken. Danach werden die Kräfte beschrieben, die auf einen Endabschnitt der Feder 118 (das heißt, den Endabschnitt, der das zweite Ende 118b einschließt) wirken.
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Aufgrund der Spannung in dem Riemen 12 wird eine Kraft Fa von dem Spannarm 114 auf die Fläche 130b des Federkraft-Einstellelementes 130 (das Teil des Dämpfelementes 120 ist) ausgeübt. Das Ende 118b der Feder übt eine Kraft Fb auf die Fläche des Dämpfelementes 120 aus. Durch diese Kräfte wird ein Abschnitt (mit 126a gekennzeichnet) der Außenfläche 126 (3b) des Dämpfelementes 120 in Eingriff mit der Innenfläche (mit 128 gekennzeichnet) des äußeren Hülsenabschnitts 113b des Trägers 113 gedrückt. Dadurch übt der äußere Hülsenabschnitt 113b eine Kraft N1 auf das Dämpfelement 120 aus. Des Weiteren wirkt aufgrund des Gleitkontaktes zwischen dem Dämpfelement 120 und dem Träger 113 eine Reibungskraft (das heißt, eine Dämpfkraft) zwischen dem Dämpfelement 120 und dem Träger 113. Diese Reibungskraft ist mit t1 gekennzeichnet, und hängt von dem Betrag der Normalkraft N1 (sowie von dem Reibungskoeffizienten zwischen dem Dämpfelement 120 und dem Träger 113) ab. Die Kräfte N1 und t1 sind rechtwinklig zueinander und können als eine Kraft F1 bezeichnet werden (wobei die Kraft F1 die Vektorsumme der zwei Kräfte N1 und t1 ist).
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Da die Kräfte Fb und Fa wenigstens teilweise additiv sind, ist die Normalkraft N1 vergleichsweise größer als sie bei der in 1 gezeigten Spannvorrichtung nach dem Stand der Technik wäre. So ist die Reibungskraft (das heißt, die Dämpfkraft) t1, die erzeugt wird, stärker als die Kraft, die in der in 1 gezeigten Spannvorrichtung erzeugt würde. 5a zeigt die Kräfte Fa, Fb und F1. Es ist zu bemerken, dass im Gleichgewicht die Vektorsumme dieser Kräfte, die auf das Dämpfelement 120 wirken, Null beträgt. Dies ist in 5a graphisch dargestellt.
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Aus einer anderen Perspektive betrachtet ist zu sehen, dass, wenn die Kraftübertragungsfläche 121 als Drehpunkt für den ersten Abschnitt 191 des Dämpfelementes 120 dient, die Kraft Fb ein bestimmtes Moment an dem ersten Abschnitt 191 erzeugt, dem die Normalkraft N1 entgegenwirkt. Wenn angenommen wird, dass der Kraftarm der Kraft Fb größer ist als der Kraftarm der Normalkraft N1 (in Bezug auf den Drehpunkt, der die Kraftübertragungsfläche 121 ist) muss, damit Gleichgewicht herrscht, der Betrag der Normalkraft N1 proportional größer sein als der Betrag der Kraft Fb. So wird die Normalkraft N1 gegenüber der Kraft Fb „verstärkt“. Aufgrund der starken Normalkraft N1 ist die an der Grenzfläche zwischen dem Dämpfelement 120 und dem Träger 113 erzeugte Reibungskraft relativ stark. Bei der Beschreibung von Gleichgewicht zwischen den Momenten, die durch die Kraft Fb des Endes der Feder und die Normalkraft N1 erzeugt werden, wird jedoch teilweise von dem starren Verhalten des ersten Umfangsabschnitts 191 ausgegangen. Beispielsweise wird im Vergleich dazu durch Ausübung einer Kraft auf ein Bandelement, das eine Reibfläche aufweist (zum Beispiel eine Bandbremse), im Wesentlichen die gesamte Länge des Bandes an die Fläche gepresst, an der sie Reibung erzeugen soll.
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Des Weiteren ist zu bemerken, dass eine Rückwirkungskraft vorhanden ist, die genauso stark ist wie die durch das Dämpfelement 120 auf das zweite Ende 118b der Feder 118 ausgeübte Kraft Fb und ihr entgegengesetzt ist. Diese Kraft ist in 5 mit Fb' gekennzeichnet. Durch sie wird die Feder 118 an einen anderen Abschnitt des Dämpfelementes 120 gedrückt und wird damit ein anderer Abschnitt (mit 126b gekennzeichnet) der Außenfläche 126 des Dämpfelementes 120 in Eingriff mit einem anderen Abschnitt der Innenfläche 128 (3b) des äußeren Hülsenabschnitts 113b des Trägers 113 gedrückt. Dadurch wird durch die äußere Hülse 113b des Trägers 113 eine andere Rückwirkungskraft auf das Dämpfelement 120 ausgeübt. Die Rückwirkungskraft ist mit N2 dargestellt und ist senkrecht zu dem Dämpfelement 120. Diese Kraft bewirkt auch, dass eine Reibungskraft (das heißt, eine Dämpfkraft) durch den Träger 113 auf das Dämpfelement ausgeübt wird, die mit t2 gekennzeichnet ist. Die Reibungskraft t2 hängt von der Normalkraft N2 und dem Reibungskoeffizienten zwischen dem Dämpfelement 120 und dem Träger 113 ab. Die Kräfte N1 und t2 sind rechtwinklig zueinander und können zusammen als eine Kraft F2 bezeichnet werden (wobei die Kraft F2 die Vektorsumme der zwei Kräfte N2 und t2 ist). In der Feder 118 wirkt ein Moment M, das dem aus den Kräften Fb' und F2 resultierenden Gesamtmoment entgegenwirkt.
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5 stellt die Kräfte dar, die auf das Dämpfelement 120 wirken, wenn der Spannarm 114 in einer ausgewählten Richtung (das heißt, entgegen dem Uhrzeigersinn und damit in der ersten Richtung bzw. der Feder-Aufwickelrichtung) bewegt wird. Die erste Richtung des Spannarms 114 ist mit Pfeil D1 gekennzeichnet. Die zweite Richtung bzw. Feder-Löserichtung ist der ersten Richtung entgegengesetzt (das heißt, entspricht dem Uhrzeigersinn). Bewegung des Spannarms 114 in der ersten Richtung D1 findet statt, wenn die Spannung an dem Riemen 12 zunimmt. Bei dieser Bewegung des Arms 114 wirken die Reibungskräfte in den in 5 gezeigten Richtungen. Wenn jedoch die Spannung des Riemens abnimmt, dreht sich der Arm 114 in der zweiten Richtung bzw. der Feder-Löserichtung, wodurch sich die Anzahl von Kräften ändert und die Reibungskräfte t1 und t2 ihre Richtung vollständig ändern. 5 stellt die Kräfte F1, Fa und Fb bei Bewegung des Arms 114 in der zweiten Richtung dar.
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11b zeigt eine Kurve 150, die das Drehmoment repräsentiert, das an dem Arm 114 bei einer bestimmten Winkelposition des Arms 114 erzeugt wird. Kurvenabschnitt 150a zeigt, wie zu sehen ist, dass das erzeugte Drehmoment vergleichsweise höher ist als an Abschnitt 50a in 11a bei Bewegung des Arms in der ersten Richtung. Des Weiteren zeigt Kurvenabschnitt 150b, dass das erzeugte Drehmoment vergleichsweise geringer ist als an Abschnitt 50b in 11a bei Bewegung des Arms in der Feder-Löserichtung. Die größere Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Kurvenabschnitt 150a und 150b ist im Allgemeinen vorteilhafter als die kleinere Differenz zwischen den Kurvenabschnitten 50a und 50b und deutet auf eine relativ starke Dämpfung von Bewegung des Arms 114 in der ersten Richtung und vergleichsweise geringeren Widerstand gegenüber Bewegung des Arms 114 in der Feder-Löserichtung hin, wobei dies dazu beiträgt, die Riemenscheibe 116 während des Betriebes des Motors in Kontakt mit dem Riemen 12 zu halten.
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Das Federkraft-Einstellelement 130 kann auf jede beliebige geeignete Weise in das Dämpfelement 120 integriert werden. Beispielsweise kann das Federkraft-Einstellelement 130, wie in 4 und 5 gezeigt, geschaffen werden, indem ein radial nach innen gerichteter Vorsprung 140 in dem optional aus Polymer bestehenden Reibungselement 120b geformt wird und indem Laschen 141, 142, 143 und 144 aus dem optional aus Metall bestehenden Verstärkungselement 120a gestanzt und gebogen werden, um den Vorsprung 140 zu halten und Last zu verteilen sowie Bildung von Druckstellen oder andere mechanische Schädigung des Vorsprungs 140 durch das Ende 118b der Feder 118 sowie die Kraftübertragungsfläche 121 an dem Arm 114 zu verhindern.
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In 10a - 10f sind alternative Konstruktionen für das Federkraft-Einstellelement 130 dargestellt. Das Federkraft-Einstellelement 130 kann (beispielsweise mittels Gießen, maschineller Bearbeitung oder jedem beliebigen anderen Verfahren zum Formen) direkt als Teil des Verstärkungselementes 120 ausgebildet werden. In der in 10b gezeigten Ausführungsform besteht das Verstärkungselement 120a selbst aus zwei Teilen, das heißt, einem Stützteil 170, das das Federkraft-Einstellelement 130 enthält und das mit einem Prozess zum Formen, wie beispielsweise Gießen, oder maschinellem Bearbeiten, hergestellt werden kann, sowie ein angrenzendes zweites Stützteil 172 enthält, das aus Blech hergestellt ist. Eine Lasche 173 an dem zweiten Stützteil 172 könnte gestanzt und radial nach innen gebogen werden, so dass sie an dem Ende des Federkraft-Einstellelementes 130 anliegt und als die Fläche oder 130b des Federkraft-Einstellelementes 130 wirkt. In der in 10c gezeigten Ausführungsform kann das Verstärkungselement 120a aus Blech bestehen und kann eine Lippe 181 aufweisen, die in einer im Allgemeinen halbzylindrischen Rinnenform ausgebildet ist. Ein geeignetes Element 182 (zum Beispiel ein Segment aus Metallmaterial) kann in die Rinne eingesetzt werden, um sie auszufüllen und Zusammendrücken des Blechs zu verhindern. Eine Lippe 145 an einem Verstärkungselement 120a aus Blech kann, wie in 10d gezeigt, so zusammengepresst werden, dass sie direkt das Federkraft-Einstellelement 130 bildet, ohne dass ein separates eingesetztes Element erforderlich ist. Eine Lippe (mit 146 gekennzeichnet) an dem Verstärkungselement 120a aus Blech kann, wie in 10e gezeigt, mit einer Vielzahl von Öffnungen 147 versehen sein, die sich in einer Reihe am Umfang erstrecken. Diese Öffnungen 147 schaffen Raum zum Biegen und Bewegen des Materials der Lippe 146, wie dies erforderlich ist, um Umbiegen der Lippe 146 zum Ausbilden des Federkraft-Einstellelementes 130 zu ermöglichen, ohne dass eine zusätzliche Komponente, wie beispielsweise das Segment 142, erforderlich ist, so dass das eingesetzte Element nicht mehr benötigt wird. Die mit 148 gekennzeichnete Lippe kann, wie in 10f gezeigt, nach oben gebogen werden, um eine Rinne auszubilden. Laschen 149 können aus dem Haupt-Umfangsabschnitt gestanzt werden, der mit 150 gekennzeichnet ist, und können radial nach innen gebogen werden, so dass sie Ränder 151 der Lippe überlappen.
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Obwohl dargestellt worden ist, dass das Dämpfelement 120 zwischen dem zweiten Ende 118b der Feder und der Kraftübertragungsfläche 121 an dem Arm 114 eingeschlossen ist und dass es sich mit dem Spannarm 114 bewegt und in Reibungseingriff mit dem Träger 113 kommt, ist es als Alternative dazu möglich, eine Ausführungsform zu schaffen, bei der das Dämpfelement 120 zwischen dem ersten Ende 118a der Feder und der Kraftübertragungsfläche 119 an dem Träger 113 eingeschlossen ist und es mit einer Wand des Spannarms 114 in Reibungseingriff kommt. Bei einer derartigen Ausführungsform kann der Träger 113 eine relativ kurze äußere Hülse 113b aufweisen, während der Spannarm 114 eine relativ lange Hülse aufweisen kann, die so positioniert ist, dass sie mit dem Dämpfelement 120 in Eingriff kommt.
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6a - 9b, auf die Bezug genommen wird, zeigen eine Spannvorrichtung 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Spannvorrichtung 200 kann der Spannvorrichtung 100 gleichen, und gleiche Teile werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, die jedoch mit einer 2 anstelle einer 1 beginnen. So gleicht Element 214 Element 114, Element 216 gleicht Element 116 usw. Unterschiede zwischen den gleichen Teilen werden im Folgenden beschrieben.
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Spannvorrichtung 200 enthält einen Träger 213, der eine innere Hülse 213a und eine äußere Hülse 213b enthält und der an einem Motor (nicht dargestellt) angebracht werden kann, einen Spannarm 214, der um eine Achse Aa des Arms herum geschwenkt wird, eine Riemenscheibe 216, die an dem Spannarm 214 um eine Achse Ab der Riemenscheibe herum gedreht werden kann, eine Spannfeder 218 sowie ein Dämpfelement 220, das ein Verstärkungselement 220a und ein Reibungselement 220b einschließt.
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Der Spannarm 214 enthält eine Welle 214a, die sich durch eine Mittelöffnung 213c des Trägers 213 hindurch erstreckt. Eine Buchse 227 lässt die Welle 214a und die mit 213d gekennzeichnete Wand der Mittelöffnung des Trägers 113 in einem bestimmten Maß zueinander gleiten. Das heißt, die Buchse 227 bewirkt ein ausgewähltes (vorzugsweise geringes) Maß an Reibung zwischen der Welle 114a und der Wand 213d der Mittelöffnung.
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Die Riemenscheibe 216 ist an dem Spannarm 224 über ein Riemenscheiben-Befestigungselement 223 (zum Beispiel eine Passschraube) angebracht, das auch einen Staubschutz 225 hält, der die Riemenscheibe 216 abdeckt.
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Die Spannfeder 218 hat ein erstes Ende 218a (7), das mit dem Träger 113 über eine Kraftübertragungsfläche 219 des ersten Endes der Feder in Eingriff ist, und ein zweites Ende 218b (5), das auf ähnliche Weise wie bei dem Eingriff zwischen dem Ende 118b der Feder und Kraftübertragungsfläche 121 über Federkraft-Einstellelement 130 über eine Kraftübertragungsfläche 221 des zweiten Endes der Feder sowie über ein Federkraft-Einstellelement 230 indirekt mit dem Arm 214 in Eingriff ist. Das Federkraft-Einstellelement 230 ist Teil des Dämpfelementes 220 und kann dem Federkraft-Einstellelement 130 in seinem Aufbau gleichen. Das Federkraft-Einstellelement 230 hat eine erste Endfläche 230a die an dem zweiten Ende 218b der Feder 218 anliegt, sowie eine zweite Endfläche 230b, die selbst an der Kraftübertragungsfläche 221 des zweiten Endes der Feder anliegt.
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Wie insbesondere in 7 und 8 zu sehen ist, deckt das Dämpfelement 220 einen kleineren Winkelbereich ab als das Dämpfelement 120 (5). Dadurch ist, wie in dem in 8 gezeigten Freikörperbild des Dämpfelementes 220 gezeigt, das Dämpfelement 220 so positioniert und bemessen, dass es mit der inneren Hülse des Trägers 213 in Eingriff kommt und die Rückwirkungskraft N1 (sowie Reibungskraft t1) von ihm aufnimmt, jedoch ist das Dämpfelement 220 nicht mit dem Endabschnitt der Feder 218 in Eingriff, um so die Rückwirkungskraft N2 und t2 zu verursachen, wie dies bei dem Dämpfelement 120 in 5 der Fall ist. Die Kraft N1, die senkrecht zu dem Dämpfelement 220 ist, und die Kraft t1, die die Reibungskraft ist, die aufgrund des Eingriffs mit dem Träger 213 (6b) auf das Dämpfelement 220 wirkt, wirken, wie in 8 zu sehen ist, den Kräften Fa und Fb entgegen, wobei die Kraft Fa die Arm-Kraft von dem Spannarm 214 an der Endfläche 230b des Federkraft-Einstellelementes 230 ist und die Kraft Fb die Kraft des Federendes von dem Ende 218b der Feder 218 ist, die auf die Endfläche 230a wirkt. Auf ähnliche Weise wie bei dem Federkraft-Einstellelement 130 bewirkt die Änderung der Position des Endes 218b der Feder 218, die durch das Vorhandensein des Federkraft-Einstellelementes 230 verursacht wird, dass die Kräfte Fa und Fb wenigstens teilweise vektoriell additiv sind, wodurch wiederum der Betrag der Normalkraft N relativ zu der in 1 gezeigten Spannvorrichtung 10 vergrößert wird. Aufgrund des größeren Betrages der Normalkraft N1 ist die Reibungskraft t1 (die von dem Betrag der Normalkraft N1 abhängt) größer als die Reibungskraft t1 in 1.
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Obwohl das Dämpfelement 220 in einen ersten Abschnitt 191 und wenigstens einen zweiten Abschnitt 292 (bei dem vorliegenden Beispiel eine Vielzahl zweiter Abschnitte 292) unterteilt sein kann, muss der erste Abschnitt 291 nicht notwendigerweise steif sein, obwohl dies bevorzugt wird. Des Weiteren ist anzumerken, dass die zweiten Abschnitte 292 nicht flexibel sein müssen. In einigen Ausführungsformen könnten die zweiten Abschnitte 292 weggelassen werden, so dass das Dämpfelement 220 nur einen Abschnitt (das heißt, einen ersten Abschnitt) enthalten würde.
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Der Spannarm 214 kann, wie in 6b - 9b gezeigt, ein Lippensegment 290 für Eingriff mit der Feder enthalten, das sich axial und in Umfangsrichtung von dem Hauptkörper des Spannarms 214 aus erstreckt und das um ungefähr 90° zu dem zweiten Ende 218b der Feder positioniert ist. Das Lippensegment 290 für Eingriff mit der Feder ist mit der Feder 218 und insbesondere mit der abschließenden Windung der Feder 218 in Eingriff, die das zweite Ende 218b einschließt. 8a zeigt ein Freikörperbild des Feder-Endabschnitts, der Ende 218b der Feder einschließt. Eine Rückwirkungskraft Fb' wird von dem Federkraft-Einstellelement 230 auf das Ende 218b der Feder ausgeübt (in Reaktion auf die durch das Ende 218 der Feder darauf ausgeübte Kraft Fb). Um dieser Kraft Fb' entgegenzuwirken, wird eine seitliche Kraft Fp durch das Lippensegment 290 für Eingriff mit der Feder auf die Feder 218 ausgeübt. Die Kraft Fp kann als eine Seiten-Kraft bezeichnet werden, da sie im Unterschied zu der Kraft Fb', die auf das Ende 218b der Feder 218 ausgeübt wird und die als die End-Kraft Fb bezeichnet werden kann, auf eine „Seite“ der Feder (d.h. die mit 218c gekennzeichnete radial außen liegende Fläche) ausgeübt wird. 9a zeigt ein Freikörperbild des Spannarms 214. Der Spannarm 214 nimmt eine Kraft von dem Riemen 12 über die Riemenscheibe 216 auf, die die Naben- bzw. Achslast (Fh) ist. Des Weiteren versteht sich, dass die Kraft Fa (8) eine gleich starke und entgegengesetzte Rückwirkungskraft Fa' (9a) verursacht, die durch das Federkraft-Einstellelement 230 auf die Kraftübertragungsfläche 221 ausgeübt wird. Weiterhin versteht sich, dass die Kraft Fp, die durch das Lippensegment 290 für Eingriff mit der Feder auf die Feder 218 ausgeübt wird, eine durch die Feder 218 auf das Lippensegment 290 für Eingriff mit der Feder ausgeübte Rückwirkungskraft verursacht. Diese drei Kräfte (Fa', Fp' und Fh) bewirken, wie in 9a gezeigt, dass eine Kraft Fbush durch die Buchse 227 auf die Welle 213a ausgeübt wird. Es ist zu sehen, dass die Kraft Fbush im Allgemeinen über die Länge der Buchse 227 zentriert ist und dies einen vergleichsweise ausgeglicheneren Verschleiß an der Buchse 227 bewirkt als er auftreten würde, wenn die Kraft in der Nähe eines axialen Endes der Buchse 227 ausgeübt würde, wie dies bei der Buchse 27 in 2 der Fall ist. 9b zeigt die gleichen Kräfte, jedoch in Draufsicht. Der gleichmäßigere Verschleiß an der Buchse 227 kann eine längere Lebensdauer der Buchse sowie eine längere Nutzungsdauer der gesamten Spannvorrichtung 200 als bei der Spannvorrichtung 10 bewirken.
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So können mit einer Kombination aus dem Federkraft-Einstellelement 230 und dem Lippensegment 290 für Eingriff mit der Feder sowohl die Dämpfkraft (die Reibungskraft t1) im Vergleich zu der Spannvorrichtung 10 erhöht werden als auch die Last Fbush an der Buchse ausgeglichener sein als bei der Spannvorrichtung 10.
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In der gesamten Offenbarung sind gezeigte Kräfte schematisch als Punktlasten dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass sie der Einfachheit halber so dargestellt und behandelt werden, in Wirklichkeit jedoch verteilte Lasten sind. Die in 5 gezeigte Kraft N1 ist beispielsweise aufgrund der Steifigkeit des ersten Abschnitts 191 des Dämpfelementes 120 lokal verteilt. Die Kraft N2 ist ebenfalls lokal verteilt.
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Die Dämpfelemente 120 und 220 können, wie in den Figuren gezeigt, symmetrisch sein, so dass sie unabhängig davon, welche die Richtung die Feder-Aufwickelrichtung ist, in Spannvorrichtungen eingesetzt werden können. Als Alternative dazu können die Dämpfelemente 120 und 220, wie mit dem Dämpfelement 120 in 10b gezeigt, asymmetrisch sein.
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Es ist anzumerken, dass die durch die Dämpfelemente 120 und 220 erzeugte Dämpfung zeitlich im Wesentlichen konstant bleibt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass, wenn das Dämpfelement 120 oder 220 verschleißt, die Elemente, die damit in Eingriff sind (zum Beispiel die Feder 118 oder 218) sich einfach um das geringe Maß verschieben, das erforderlich ist, um weiterhin Kraft auf das Dämpfelement 120 oder 220 auszuüben und so je nachdem Reibung zwischen dem Dämpfelement 120 oder 220 und dem Träger 113 oder 213 zu erzeugen. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber Dämpfelementen dar, die auf einer Presspassung mit angrenzenden Komponenten zum Erzeugen der Dämpfkraft basieren. In diesen Fällen wird, wenn das Dämpfelement verschleißt, die Dämpfkraft zunehmend schwächer, wenn die Stärke des Reibungseingriffs abnimmt.
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Es ist anzumerken, dass die oben dargestellten Strukturen und Verfahren zum Erzielen stärkerer Dämpfung ihre Aufgabe erfüllen, ohne dass, wie zwischen dem Dämpfelement 20 und dem Träger 13 in 1 und 2 der Reibungskoeffizient zwischen dem Dämpfelement und dem Träger vergrößert werden muss. Derartige Beschichtungen können relativ teuer sein, können einen großen Toleranzbereich hinsichtlich der entstehenden Reibungskoeffizienten aufweisen, und ihre Wirksamkeit kann sich bei Verschleiß erheblich ändern. Im Unterschied dazu können die hier offenbarten Strukturen und Verfahren relativ konsistent und kostengünstig sein.
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Obwohl die oben stehende Beschreibung eine Vielzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt, ist klar, dass weitere Abwandlungen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne von der entsprechenden Bedeutung der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
