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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet von Zweimassenschwungrädern, die zur Dämpfung von Rotationsschwingungen in Kupplungen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
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Hintergrund
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Die
DE 10 2009 013 965 A1 beschreibt eine Dämpfungseinrichtung für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit jeweils zwei parallel geschalteten Federelementen zweier Federanordnungen, die mittels eines Zwischenelements in Reihe geschaltet sind. Die parallel geschalteten Federelemente weisen unterschiedliche Federsteifigkeiten auf. Der Dämpferein- und der Dämpferausgang können als Anbindungen an Primär- bzw. Sekundärseite eines Zweimassenschwungrads ausgebildet sein.
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Der Nachteil dieser und anderer Dämpfungseinrichtungen aus dem Stand der Technik liegt darin, dass die vom Motor über das Zweimassenschwungrad zu übertragende Kraft zu gleichen Anteilen durch die parallel geschalteten Federn übertragen wird. Die Laufunruhen des Motors müssen ebenfalls zu gleichen Anteilen von den parallel geschalteten Federn gedämpft werden. Somit muss immer ein Kompromiss eingegangen werden zwischen guter Übertragung des Drehmoments und guten Dämpfungseigenschaften.
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Zusammenfassung
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit besseren Dämpfungseigenschaften sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch 1 umfasst die Anordnung eine um eine Drehachse drehbare Eingangskomponente. Die Eingangskomponente kann beispielsweise die Primärscheibe eines Zweimassenschwungrads umfassen. Des Weiteren umfasst die Anordnung eine sowohl gemeinsam mit als auch relativ zur Eingangskomponente um die Drehachse drehbare Ausgangskomponente. Die Ausgangskomponente kann beispielsweise die Sekundärscheibe eines Zweimassenschwungrads umfassen. Die Ein- und die Ausgangskomponente sind mittels einer Dämpfungseinrichtung drehelastisch miteinander gekoppelt.
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Die Dämpfungseinrichtung umfasst zumindest eine erste Feder, zumindest eine zweite Feder und eine Reibscheibe. Die erste Feder, die zweite Feder und die Reibscheibe sind parallel zueinander mit der Eingangskomponente gekoppelt. Der Begriff „parallel” kann hier insbesondere bedeuten, dass bei einer schematischen Betrachtung der Anordnung durch die erste und die zweite Feder zwei parallele Drehmomentübertragungswege von der Eingangskomponente zu der Ausgangskomponente geschaffen werden. Ein erster Anteil des übertragenen Drehmoments kann also über die erste Feder übertragen werden, während ein zweiter Anteil über die zweite Feder übertragen wird. Der erste Anteil wird dabei nicht über die zweite Feder und der zweite Anteil nicht über die erste Feder übertragen.
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Die erste und die zweite Feder können über ein Bauteil miteinander gekoppelt sein, welches mittels eines Gelenks mit der Eingangskomponente verbunden sein kann. Hierdurch wird gewährleistet, dass kleinere Änderungen des beaufschlagten Drehmomentes nur oder hauptsächlich über die zweite Feder übertragen werden, welche auf Grund ihrer beispielsweise geringeren Federsteifigkeit diese Drehschwingungen erheblich abdämpft oder ausfiltert.
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Die Reibscheibe ist parallel zur ersten Feder angeordnet. Ein zu übertragendes Drehmoment wird also von der Eingangskomponente über die Reibscheibe und die erste Feder gleichzeitig übertragen. Unter einer Reibscheibe wird hier insbesondere ein Bauteil verstanden, das ein Drehmoment unterhalb eines durch die Haftreibung der Reibscheibe definierten Schwellwertes ohne Geometrieänderung überträgt. Erst bei Erreichen dieses insbesondere durch die Beschaffenheit der Oberfläche der Reibscheibe und der Eingangskomponente und/oder durch den Anpressdruck einstellbaren Wertes findet eine Positionsänderung der Reibscheibe relativ zur Eingangskomponente statt, was eine Kompression bzw. Expansion der ersten Feder zur Folge hat.
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Die Kopplung der ersten Feder mit der Reibscheibe kann beispielsweise über ein weiteres Bauteil erfolgen (z. B. ein scheiben- oder plattenartiges Metallbauteil oder eine weitere Reibscheibe), das in Kontakt mit der Reibscheibe steht. Die Feder kann fest mit diesem weiteren Bauteil verbunden sein. Wenn nun die Reibscheibe in Rotation versetzt wird, wird ab einem gewissen Drehmoment, das von der Haftreibung abhängt, das weitere Bauteil ebenfalls in Rotation versetzt. So kann ein Drehmoment übertragen werden. Durch eine geeignete Wahl der Haftreibung kann eingestellt werden, bis zu welcher Drehmomentänderung es nur zu einer Aufnahme und damit Dämpfung der Drehmomentänderung über die zweite Feder kommt.
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Eine Verzögerung der Drehmomentübertragung kann auch erreicht werden, indem die Haftreibung zwischen der Reibscheibe und der Eingangskomponente derart gewählt wird, dass das Drehmoment verzögert von der Eingangskomponente zur Reibscheibe übertragen wird.
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Die Reibscheibe hat den Vorteil, dass die eingetragenen Drehmomentänderungen erst nach überschreiten eines eingestellten Schwellwertes zu einer Längenänderung der ersten Feder führen. Dadurch wird erreicht, dass Drehschwingungen, die möglichst nicht durch die Dämpfungseinrichtung übertragen werden sollen, die erste Feder nicht oder nur teilweise erreichen. Dies liegt vor allem an der Frequenz der Drehschwingungen und ihrer relativ geringen Amplitude. Durch die Verzögerung der Drehschwingungsübertragung werden Drehschwingungen mit relativ geringen Amplituden nicht oder nur zu einem geringen Teil an die erste Feder übertragen. Diese Drehschwingungen werden also hauptsächlich an die zweite Feder übertragen, die beispielsweise eine relativ niedrige Federkonstante aufweisen kann und so die Drehschwingungen erheblich abdämpft oder ausfiltert.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Reibscheibe dazu ausgebildet sein, eine Kraftübertragung von der Eingangskomponente an die erste Feder zu verzögern. Die Verzögerung der Kraftübertragung hat den Vorteil, dass Drehschwingungen mit geringer Amplitude nicht an die erste Feder übertragen werden. Eine derartige Reibscheibe lässt sich beispielsweise durch eine relativ hohe Haftreibung zwischen der Reibscheibe und der Eingangskomponente erreichen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Reibscheibe dazu ausgebildet sein, ein Drehmoment nur dann an die erste Feder zu übertragen, wenn das Drehmoment einen Schwellwert übersteigt. Auch dies ist vorteilhaft, um unerwünschte Drehschwingungen nicht an die erste Feder zu übertragen, da diese Drehschwingungen üblicherweise relativ kleine Drehmomente aufweisen im Vergleich mit Drehmomenten, die von der Eingangs- zur Ausgangskomponente übertragen werden sollen. Auch diese Eigenschaft lässt sich durch eine relativ hohe Haftreibung der Reibscheibe mit der Eingangskomponente erreichen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Feder einen größeren Abstand von der Drehachse aufweisen als die erste Feder. Der Abstand kann dabei insbesondere ein Abstand in radialer Richtung sein. Durch den größeren Abstand der zweiten Feder von der Drehachse wird bei einer Drehmomentübertragung von der Eingangskomponente zur Ausgangskomponente über die zweite Feder eine geringere Kraft übertragen als über die erste Feder. Für das Drehmoment gilt M = F·r (wobei M das Drehmoment ist, F die Kraft und r der radiale Abstand von der Drehachse). Je weiter die Feder also von der Drehachse in radialer Richtung entfernt ist, desto geringer ist die übertragene Kraft. Das Drehmoment wird im Verhältnis der Abstände der Anlenkpunkte der Federn vom Gelenkpunkt sowohl über die erste Feder als auch über die zweite Feder übertragen. Da die erste Feder jedoch näher an der Drehachse angeordnet ist als die zweite Feder, wird über die erste Feder eine größere Kraft übertragen als über die zweite Feder. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da somit die erste Feder im Wesentlichen zur gewünschten Übertragung einer Kraft von der Eingangskomponente zur Ausgangskomponente beiträgt, während die zweite Feder im Wesentlichen unerwünschte Drehschwingungen dämpft oder unterdrückt. Die Kraftübertragung wird somit im Wesentlichen durch die relativ harte erste Feder erbracht, während die Dämpfung von Drehschwingungen im Wesentlichen durch die relativ weiche zweite Feder erfolgt. Diese Aufteilung hat den Vorteil, dass über einen besonders großen Drehmomentbereich eine besonders gute Dämpfung von Drehschwingungen erreicht wird.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Feder eine größere Federkonstante als die zweite Feder auf. Daher eignet sich die zweite Feder besonders gut, um Drehschwingungen zu dämpfen. Die erste Feder eignet sich besonders gut für eine Übertragung des Drehmoments von der Eingangskomponente zur Ausgangskomponente.
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Unterschiedliche Federkonstanten können beispielsweise durch unterschiedliche Durchmesser der Federn erreicht werden. Beispielsweise kann die erste Feder einen geringeren Durchmesser aufweisen als die zweite Feder. Bei gleichem Material und ansonsten gleicher Geometrie führt dies dazu, dass die Federkonstante der ersten Feder größer ist als die der zweiten Feder.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Feder einen größeren Durchmesser aufweisen als die erste Feder. Dies ist vorteilhaft, da so bei gleicher Materialwahl die zweite Feder eine geringere Federkonstante aufweisen kann als die erste Feder.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Anordnung zumindest ein Dämpferelement und zumindest zwei Anschläge für die zweite Feder umfassen. Das Dämpferelement kann an einem der beiden Anschläge angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass an beiden Anschlägen jeweils ein Dämpferelement angeordnet ist. Das Dämpferelement ist bei einer zu großen Krafteinwirkung auf die zweite Feder vorteilhaft. Diese kann beispielsweise bei einer Fehlbedienung der Kupplung, des Motors und/oder des Getriebes auftreten. Aufgrund der relativ geringen Federkonstante der zweiten Feder lässt sie sich relativ leicht komprimieren. Wenn nun die zweite Feder komplett komprimiert ist, können bei einer weiteren Krafteinwirkung auf die zweite Feder Materialschädigungen entstehen, da die zweite Feder keine Federwirkung mehr hat. Durch den Einsatz des zumindest einen Dämpferelements kann dieser Effekt verringert werden. Das Dämpferelement bietet auch bei einer komplett komprimierten zweiten Feder eine Dämpfungseigenschaft, die Materialschädigungen verhindern oder abmildern kann.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die erste und die zweite Feder jeweils als Bogenfeder ausgebildet sein. Bogenfedern sind bei einem Einsatz in einem Zweimassenschwungrad besonders vorteilhaft.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen die gleichen Bezugszeichen verwendet. Darin zeigen:
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1 ein schematisches Schaltbild einer Anordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung; und
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2 eine schematische Schnittsansicht einer Anordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die in 1 gezeigte Anordnung 100 umfasst eine Eingangskomponente 101 und eine Ausgangskomponente 102. Die Eingangskomponente 101 kann beispielsweise mit einer Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, gekoppelt sein, sodass sie durch die Verbrennungskraftmaschine in Rotation versetzt werden kann. Die Ausgangskomponente 102 kann mit einem Getriebe gekoppelt sein. Die Eingangskomponente 101 ist mit der Ausgangskomponente 102 unter Verwendung einer ersten Feder 103, einer zweiten Feder 104 und einer Reibscheibe 105 drehelastisch gekoppelt, sodass eine Drehmomentübertragung von der Eingangskomponente 101 zur Ausgangskomponente 102 erfolgen kann. Die beiden Federn 103 und 104 und die Reibscheibe 105 sind parallel zueinander mit der Eingangskomponente verbunden. Außerdem weist die zweite Feder 104 eine geringere Federkonstante als die erste Feder 103 auf.
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Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine können Drehschwingungen auftreten, die durch die Anordnung 100 möglichst gedämpft werden sollen. Derartige Drehschwingungen werden hauptsächlich durch die zweite Feder 104 gedämpft, da die Drehschwingungen aufgrund ihrer Frequenz und den dabei auftretenden relativ geringen Drehmomenten von der Reibscheibe 105 nicht oder nur zu einem geringen Teil an die erste Feder 103 übertragen werden. Die zweite Feder 104 ist aufgrund ihrer relativ kleinen Federkonstante besonders gut für diese Dämpfung geeignet.
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Von der Verbrennungskraftmaschine auf die Eingangskomponente übertragene Drehmomente, die von der Eingangskomponente 101 an die Ausgangskomponente 102 übertragen werden sollen, werden von der Reibscheibe 105 leicht verzögert an die erste Feder 103 übertragen. Die Verzögerung hat hier einen vernachlässigbaren Effekt, da diese Drehmomente keine Schwingungen sind. Daher werden diese Drehmomente zu in etwa gleichen Teilen von der ersten Feder 103 und der zweiten Feder 104 an die Ausgangskomponente 102 übertragen.
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Die Eingangskomponente 101, die Ausgangskomponente 102, die erste Feder 103 und die zweite Feder 104 sind um eine gemeinsame Drehachse drehbar. Die zweite Feder 104 weist zur Drehachse einen größeren radialen Abstand auf als die erste Feder 103. Wie bereits erwähnt, wird ein Drehmoment, das nicht Bestandteil einer unerwünschten Drehschwingung ist, zu gleichen Anteilen von der ersten Feder 103 und der zweiten Feder 104 übertragen. Aus der Gleichung M = F·r (M ist das Drehmoment, F die Kraft und r der radiale Abstand zur Drehachse) wird klar, dass über die zweite Feder 104 eine geringere Kraft übertragen wird als über die erste Feder 103.
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Die beiden Federn 103 und 104 erfüllen also unterschiedliche Aufgaben. Während ein Großteil der Kraftübertragung über die erste Feder 103 mit der größeren Federkonstante erfolgt, werden die ungewünschten Drehschwingungen zu einem Großteil von der zweiten Feder 104 mit der niedrigeren Federkonstante gedämpft. Dadurch lassen sich die Drehschwingungen auch bei relativ großen übertragenen Drehmomenten effektiv dämpfen.
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Im laufenden Betrieb kann sich das durch die Anordnung 100 zu übertragende Drehmoment ändern. Es wird jedoch immer zu gleichen Anteilen über die erste Feder 103 und über die zweite Feder 104 übertragen. Die übertragene Kraft hingegen hängt, wie bereits erwähnt, von den Abständen beider Federn 103 und 104 von der Drehachse ab. Daher hängt auch die Verformung a2 der zweiten Feder 104 von diesen Abständen ab. In Formeln lässt sich das wie folgt ausdrücken: M1 = M2·ΔF1·r1 = ΔF2·r2, wenn ΔF1 > ΔF2 => r2 > r1 Mit F = c·a =>
a2 = ΔF1/c2·r1/r2
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Dabei ist rn der Abstand der n-ten Feder von der Drehachse. Fn ist die durch die n-te Feder übertragene Kraft und ΔFn ist eine Änderung dieser Kraft. Mn ist das über die n-te Feder übertragene Drehmoment. cn ist die Federkonstante der n-ten Feder. an ist die Verformung der n-ten Feder.
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In 2 ist gezeigt, dass die Eingangskomponente 101 und die Ausgangskomponente 102 über die Federn 103 und 104 miteinander verbunden sind. Die Eingangskomponente 101 kann auch als Primärrad und die Ausgangskomponente 102 als Sekundärrad bezeichnet werden. Zwischen der Eingangskomponente 101 und der ersten Feder 103 ist die Reibscheibe 105 angeordnet, die ein Drehmoment von der Eingangskomponente 101 verzögert an die erste Feder 103 weiterleitet. Die Haftreibung der Reibscheibe 105 mit der Eingangskomponente 101 kann dabei so ausgebildet sein, dass ein Drehmoment erst an die erste Feder 103 übertragen wird, wenn es einen gewissen Schwellwert überschreitet, sodass Drehschwingungen mit Amplituden unterhalb dieses Schwellwerts nicht an die erste Feder 103 übertragen werden.
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Außerdem ist die Eingangskomponente 101 mit der Ausgangskomponente 102 über die zweite Feder 104 verbunden. Die Wicklungen der zweiten Feder 104 weisen einen größeren Durchmesser als die Wicklungen der ersten Feder 103 auf. Dies führt dazu, dass die zweite Feder 104 eine geringere Federkonstante als die erste Feder 103 aufweist. Dadurch eignet sie sich besser, um Drehschwingungen abzudampfen.
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Außerdem ist in 2 die Drehachse 203 dargestellt, um die sich die Eingangskomponente 101, die Ausgangskomponente 102, die Reibscheibe 105 und die beiden Federn 103 und 104 drehen können.
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Sowohl die erste Feder 103 als auch die zweite Feder 104 weisen eine Krümmung auf. Sie können daher auch als Bogenfedern bezeichnet werden. In 2 ist eine Drehachse 203 dargestellt, um welche die erste Feder 103 und die zweite Feder 104 gekrümmt sind. Die Federachse 200 verläuft parallel zur Drehachse 203. Außerdem verläuft die Drehachse 203 durch einen Kreismittelpunkt. Dieser Kreismittelpunkt ist der Mittelpunkt zumindest zweier konzentrischer Kreise mit unterschiedlichen Radien. Die erste Feder 103 verläuft dabei entlang eines Kreisbogenabschnitts eines ersten dieser Kreise und die zweite Feder 104 verläuft entlang eines Kreisbogenabschnitts eines zweiten dieser Kreise. Dabei ist der Radius des zweiten Kreises größer als der Radius des ersten Kreises. Dies bedeutet, dass der Abstand der zweiten Feder 104 von der Drehachse 203 größer ist als der Abstand der ersten Feder 103 von der Drehachse 203. Dies bedeutet auch, dass der Krümmungsradius der ersten Feder 103 geringer ist als der Krümmungsradius der zweiten Feder 104. Dadurch hat die zweite Feder 104 einen längeren Kompressionsweg als die erste Feder 103 und kann Schwingungen besser abdämpfen.
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Daher wird bei einer Drehmomentübertragung, die oberhalb des Schwellwerts liegt, eine relativ große Kraft über die erste Feder 103 von der Eingangskomponente 101 zur Ausgangskomponente 102 übertragen, während nur eine relativ geringe Kraft über die zweite Feder 104 in der gleichen Richtung übertragen wird.
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Die erste Feder 103 kann außerdem einen größeren Drahtdurchmesser als die zweite Feder 104 aufweisen. Dieses Merkmal kann weiter dazu beitragen, dass die Federkonstante der ersten Feder 103 größer ist als die Federkonstante der zweiten Feder 104. Außerdem können die erste Feder 103 und die zweite Feder 104 aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, um die gewünschten Federkonstanten einzustellen. Auch die Steigung der Windungen der Federn 103 und 104 kann so gewählt werden, dass die gewünschten Federkonstanten erreicht werden.
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Somit werden also ungewollte Drehschwingungen im Wesentlichen von der relativ weichen zweiten Feder 104 gedämpft, die hierfür aufgrund ihrer Gestaltung besonders gut geeignet ist. Die Kraftübertragung erfolgt im Wesentlichen über die erste Feder 103, die aufgrund der relativ großen Steifigkeit hierfür besonders gut geeignet ist. Daher zeichnet sich die Anordnung 100 dadurch aus, dass sie ungewollte Drehschwingungen besonders gut abdämpft und trotzdem eine gute Kraftübertragung ermöglicht.
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Des Weiteren ist in 2 eine Verschraubungslinie 201 dargestellt, entlang der die Anordnung 100 mit der Kurbelwelle des Kraftfahrzeugs verschraubt ist. Wenn der Antrieb des Fahrzeugs in Betrieb ist, versetzt er die Kurbelwelle in Drehung. Die Kurbelwelle ist mit einem Zahnkranz 202 verbunden, über den die Eingangskomponente 101 in Drehung versetzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Anordnung
- 101
- Eingangskomponente
- 102
- Ausgangskomponente
- 103
- erste Feder
- 104
- zweite Feder
- 105
- Reibscheibe
- 200
- Federachse
- 201
- Verschraubungslinie
- 202
- Zahnkranz
- 203
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009013965 A1 [0002]
