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Elektromagnetischer Drehschwingungsdämpfer
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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Drehschwingungsdämpfer
für Hubkolbenmaschinen, bestehend aus einem fest mit der Kurbelwelle verbundenen
Primärteil und wenigstens einem ringförmigen Sekundärteil Drehschwingungsdämpfer
sind heute allgemein bekannt Im wesentlichen kennt man abgestimmte Gummidämpfer,
nicht abgestimmte Flüssigkeitsdämpfer und Kombinationen von Gummidämpfern mit Flüssigkeitsdämpfern,
die praktisch zu Viskositäts-Drehschwingungsdämpfern mit abgestimmter Schwungmasse
führen Derartige Schwingungsdämpfer bestehen in der Regel aus einem ringförmigen,
geschlossenen Gehäuse und einem in diesem angeordneten Dämpfungssystem, wobei die
Arbeits weise auf der Umwandlung von kinetischer Energie in
Wärme
beruht.
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Ein abgestimmter Gummidämpfer ist beispielsweise durch die DE-OS 2455
385 bekannt. Er umfaßt eine Trägheitsmasse, ale durch ein Element aus Gummi oder
einem anderen Elastomermaterial mit einem Nabenteil gekoppelt ist. Das Nabenteil
mit dem scheibenförmigen Nabenkern und den in das Außenteil einmündenden, im Grundzuge
radial verlaufenden, in axialer Richtung steif und in Umfangsrichtung nachgiebig
ausgebildeten Speichen ist mit der Kurbelwelle über inkorporierte metallische Befestigungsteile
starr verbunden. Treten während des Betriebes Torsionsschwingungen auf, so werden
sie durch die Dämpfungswirkung der inneren Hysterisis des Dämpfungsmaterials verkleinert
und die Schwingungsenergie in Wärme umgewandelt, die durch die große Oberfläche
des Gehäuses an die Umgebungsluft abgegeben wird.
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Als Nachteil bei diesem abgestimmten Schwingungsdämpfer muß angesehen
werden, daß bei beschränkten Raumverhältnissen die Dämpfungsfeder nicht so gestaltet
werden kann, daß die Belastungsspitzen der Beanspruchung des Werkstoffes innerhalb
der Dauerfestigkeitsgrenze liegen. Weiter ist es von Nachteil, daß die verwendeten
Dämpfermaterialien nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, so daß sich im
Dämpfermaterial Wärme staut und folglich hohe Temperaturen auftreten. Durch diese
Temperaturen verändern sich sowohl die Feder- und Dämpferkonstante als auch die
Güte der frequenzmäßigen Abstimmung in Richtung kleinerer Werte. Infolgedessen beschränkt
sich die Verwendbarkeit solcher Dämpfer auf Störgrößen mit relativ niedrigem Energiepegel,
der nicht überschritten werden darf, damit das Dämpfermaterial seine von ihm gewünschten
Eigenschaften behält.
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Sollen Resonanzzustände zweiten Grades ebenfalls unterdrückt werden
so muß der Schwingungsdämpfer über ein weiteres Federmassensystem mit entsprechend
höherer Eigenfrequenz verfügen, was der Preisgünstigkeit in bezug auf'einen nicht
abgestimmten bzw. abgestimmten Flüssigkeitsdämpfer entgegensteht.
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Der Dämpfer aus Elastomermaterial zeichnet sich infolge seiner einfachen
Herstellung durch besondere Preisgünstigkeit aus. In seiner Wirksamkeit, d.h. der
Unterdrückung von Torsionsschwingungen, ist er bei sorgfältiger Abstimmung dem Schwingungsdämpfer
mit viskoser Flüssigkeit überlegen, solange kein temperatur- oder ausschlagbedingtes
Driften der Feder- und Dämpfungskonstante bewirkt wird.
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Als Vorteil der Viskositätsdrehschwingungsdämpfer hingegen ist besonders
das Vermögen Ges Dämpfers hervorzuheben, auch höhere Grade der Torsionseigenresonanz
zu unterdrücken, und zwar linear mit der Frequenz der relativen Winkelgeschwindigkeit
zwischen Sckundärmasse und urbelwellewachsend. Ferner ist positiv zu bewerten, daß
verhältnismäßig hohe Dämpfungskräfte über den Koppel grad übertragen werden können
Ein nicht abgestimmter Flüssigkeitsdämpfer ist beispielsweise durch die DE-AS 1775
39° bekannt. Er besteht aus einer Trägheitsmasse, die mit einem Gehäuse durch einen
dünnen Film gekoppelt ist. Das Gehäuse ist mit der Kurbelwelle des Motors starr
verbunden. Die Schwingungs., amplituden des Systems werden dadurch verkleinert,
daß die Relativbewegungen des Gehäuses gegenüber dem Schwungring
durch
eine, die freien Räume des Gehäuses ausfüllende Reibungsflüssigkeit, beispielsweise
hochviskoses Silikonöl, abgebremst werden und dabei Wärmeenergie freigesetzt wird.
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Nachteilig ist es, daß das zähflüssige Dämpfungsmittel durch die Lagerspalte
einer größeren Abscherwirkung als im Arbeitsspalt ausgesetzt ist. Außerdem besteht
die Gefahr, daß die Dämpfungsflüssigkeit durch Abnutzung von sich berührenden Metallflächen
verunreinigt wird und daß sich das Silikonöl durch mechanische Beanspruchung in
seiner Molekülstruktur verändert, ein Gel bildet und damit zur Veränderung der Viskosität
und zum Versagen des Drehschwingungsdämpfers führt. Die Instandsetzung solcher unbrauchbar
gewordener Dämpfer verursacht mit den damit verbundenen Betriebsausfällen erhebliche
Kosten.
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So könnte man alle bekannten Ausführungen miteinander vergleichen
und würde schließlich feststellen, daß je der Schwingungsdämpfer nur eine Kompromißlösung
darstellt. Es besteht nach wie vor der Bedarf für einen abgestimmten Schwingungsdämpfer,
der technisch einwandfrei und wirtschaftlich realisierbar ist.
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Der ideale Drehschwingungsdämpfer müßte folgende Vorteile aufweisen:
1. Die Abstimmfrequenz soll temperaturunabhängig sein und mit wachsender Frequenz
der Relativgeschwindigkeit zwischen Sekundärmasse und freiem Kurbelwellenende soll
eine Zunahme der Dämpfungskräfte erreichbar sein, 2. Die Lebensdauer soll im Vergleich
zu anderen Drehschwingungsdämpfern durch Verwendung eines physikalischen Effektes
zur Koppelkrafterzeugung, der sich sowohl Feder- wie Dämpfungskräfte gleichermaßen
bedient, ohne dabei Verschleiß zu verursachen, hoch sein.
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3. Durch problemlose Fertigung bei mäßig hohen Toleranzen und dem
Wegfall von Plattierungs- oder Oberflächenbeschichtungsarbeiten sollen die Herstellungskosten
des Drehschwingungsdämpfers niedrig gehalten werden.
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4. Die Feder- und Dämpfungskraftlinie soll bereits im Entwicklungsstadium
des Dämpfers durch konstruktive Formgebung optimal gestaltbar sein.
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5. @urch definiertes, also konstruktiv beeinflußberes und reproduzierbares,
insbesondere temperatur- und alterungsunabhängiges Einsetzen der Ankoppelung der
Sekundärmasse soll die dem Motc entzogene Energie minimiert werden.
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6. Die Feder-und Dämpfungskraftlinie soll nach Überschreiten des zulässigen
Absolutausschlages des freien Kurbelwellenendes extrem steil mit dem Ausschlagwinkel
anwachsen, wodurch die temperatur- und alterungsbedingten Veränderungen der Dämpfungs-
und Federkonstante weitgehend unterdrückt werden Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Drehschwingungsdämpfer der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln,
daß die angeführten Nachteile vermieden und die erläuterten Vorteile in sich vereinigt
werden.
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Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Primärteil
einen als ringförmige Scheibe ausgebildeten, in axialer Richtung neben dem Sekundärteil
angeordneten magnetischen Rückschluß aufweist, daß das Sekundärteil in einem im
Primärteil vorgesehenen Radiallager geführt und durch ein Axiallager auf definierten
Abstand zum magnetischen Rückschluß gehalten wird, daß in der dem magnetischen Rückschluß
zugewandten Stirnfläche des Sekundärteiles kreisringförmig mehrere Dauermagneten
eingesetzt sind, nnd daß auf den einander zugekehrten Stirnflächen des magnetischen
Rückschlusses und des Sekundärteiles radial verlaufende, in Richtung wachsender
Radien sich verbreiternde, magnetische Feinpolraster aufgetragen sind.
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Damit wird erreicht, daß durch Abkoppeln der Sekundärmasse die Eigenfrequenz
des Drehschwingungsdämpfers variierbar ist und daß die zur Dämpfung der Torsionsschwingungen
erforderlichen Bremskräfte einerseits zwischen der Sekundärmasse und dem Axiallager
infolge Reibung und anderseits zwischen dem magnetischen Rückschluß und der Sekundärmasse
berührungslos durch Dauermagnete nach dem Prinzip einer Wirbelstrombremse erzeugt
werden.
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Vor allem wird durch die erfindungsgemäße Anordnung erreicht, daß
Betriebssicherheit und Kühlung gegenüber Drehschwingungsdämpfern, die nach dem Reibungsprinzip
ausgebildet sind, bei Erzielung gleich guter Dämpfungseigenschaften verbessert wird
und daß die zur Beseitigung der technischen Mängel erforderlichen Fertigungstechnologie
und die dadurch bedingte Erhöhung der Herstellungskosten und Fertigungszeiten entfällt.
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Im einzelnen wird vorgeschlagen, daß das Primärteil aus einer kreisförmigen,
an der Kurbelwelle befestigten und aus ferritischem Material hergestellten Trägerplatte
besteht, die mit dem magnetischen Rückschluß und mit einem nicht ferritischen Führungsteil
formschlüssig verbunden ist, und daß in dem Führungsteil das Radiallager und ein
dem Axiallager entgegenwirkendes Widerlager abgestützt sind.
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Das Widerlager ist dabei als Kugellager ausgebildet, als Axiallager
dient ein trockenes Kunststofflager, das fest mit dem magnetischen Rückschluß verbunden
ist, und als Radiallager wird zweckmäßigerweise ein trocken geschmiertes Kunststofflager
verwendet.
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Weiter wird vorgeschlagen, daß die Dauermagnete im äußeren Drittel
der Stirnfläche des Sekundärteiles und oberflächenbündig mit dieser angeordnet sind,
und daß jeder Dauermagnet koaxial von einem Kurzschlußring aus Kupfer umschlossen
ist.
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Was die Feinpolraster anbetrifft, so steht in Ruhelage jeder Erhebung
bzw. jeder Polfläche im Feinpolraster des magnetischen Rückschlusses eine Erhebung
bzw. Polfläche des Feinpolrasters des Sekundärteiles gegenüber.
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Im magnetischen Rückschluß sind die Oberflächenbereiche vom Feinpolraster
ausgenommen, denen ein Dauermagnet einschließlich seinem Kurzschlußring gegenüberliegt.
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Die Erfindung sieht vor, daß sich - in Umlaufrichtung gesehen - Polflächen
und Pol lücken abwechseln, und daß das Verhältnis der Breiten einer Polfläche zur
Polücke des Feinrasters am magnetischen Rückschluß etwa 1:1 und einer Polfläche
zur Pollücke des Feinpolrasters am Sekundärteil etwa 1:2 ist. Durch Verändern des
Breitenverhältnisses der Polflächen der beiden Feinpolraster ist die Ortsfunktion
der magnetischen Dämpfungskraft veränderbar. Zur Dämpfung verschiedener Torsionsschwingungsfrequenzen
sieht die Erfindung vor, daß die im Sekundärteil angeordneten Dauermagnete in ihrer
Größe und Form unterschiedlich ausgebildet sind und aus magnetisch verschiedenem
Material bestehen.
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Auch kann der Abstand zwischen dem Sekundärteil und dem magnetischen
Rückschluß unterschiedlich groß gewählt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch
einen Teil des elektro magnetischen Drehschwingungsdämpfers nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt II-II durch Fig. l, Fig. 3 einen Schnitt III-III durch Fig.
1 in vergrößerter Ausführung, Fig. 4 eine Drehwinkeldifferenz-Kraft-Kennlinie.
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Nach Fig. 1 ist eine in nicht dargestellter Weise am Kurbelwellenende
befestigte Trägerplatte I aus ferritischem Material sowohl mit einem ringförmigen
magnetischen Rückschluß 2 als auch mit einem nicht ferritischen Führungsteil 3 fest
verbunden. Im Bereich des magnetischen Rückschlusses 2 ist das Führungsteil 3 rechtwinkelig
abgebogen und dient zur Aufnahme eines Radiallagers 4 und nach nochmaliger Abwinkelung
zur Abstützung eines als Kugellager ausgebildeten Widerlagers 5. Das Radiallager
4 ist hier ein trocken geschmiertes Kunststofflager und bildet die Führung eines
ringförmigen Sekundärteiles 6, welches durch-ein am magnetischen Rückschluß 2 angebrachtes,
als trockenes Kunststofflager ausgebildetes Axiallager 13 und, wie noch erläutert
wird, durch magnetische Wechselwirkung vom magnetischen Rückschluß 2 und Sekundärteil
6 in axialer Richtung abgestützt und zugleich auf definierten Abstand 7 gehalten
wird. Im oberen Drittel des Sekundärteiles 6 oberflächenbündig eingebettet sind
mehrere Dauermagnete 8, die ihrerseits von Kurzschluß -ringen 9 aus Kupfer koaxial
umschlossen sind. Auf den parallel zueinander liegenden Stirnflächen des magnetischen
Rückschlusses 2 und des Sekundärteiles 6 ist je ein radial verlaufendes, in Richtung
wachsender Radien sich verbreiterndes magnetisches Feinpolraster lo und 11 aufgetragen,
wobei das Feinpolraster lo des magnetischen Rückschlusses 2 an den den Dauermagneten
8 und den Kurzschlußringen 9 gegenüberliegenden Flächen unterbrochen ist. Der gedachte
Feldlinienverlauf und damit die Wirkungsrichtung der elektromagnetischen Kräfte
des Drehschwingungsdämpfers soll durch die Linien 12 zum Ausdruck gebracht werden.
Die Pfeile 12a deuten die Richtung des Feldlinienpfades an. Da die Trägerplatte
1 und das Führungsteil 3 aus nicht magnetischem
Material bestehen,
bildet sich nur ein geringes oder überhaupt kein Feld im Bereich der Trägerplatte
1 aus und das Magnetfeld ist im Bereich von Sekundärteil 6 und magnetischem Rückfluß
2 kohzentriert. Wird der Abstand 7 vergrößert, so nimmt die Magnetflußdichte in
diesem ab, was dazu führt, daß auch die Dämpfungswirkung sinkt. Nach dem Stand der
Technik muß deshalb zur Erhöhung des Dämpfungseffektes der Wirbelstromdämpfer mit
möglichst großem Volumen ausgeführt werden.
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Dadurch wird zwar der magnetische Kreis vergrößert, gleichzeitig steigen
aber die kosten. Praktische Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Werte der Dämpfungswirkung
des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Dämpfers mehr als ausreichend sind, Bei
der Konstruktion kann deshalb auf eine komplizierte und aufwendige, dementsprechende
teuere Form des Dämpfers verzichtet werden.
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In Fig. 2 ist ein Teil des Feinpolrasters 11 aus anschaulichen Gründen
vergrößert dargestellt. Man kann erkennens daß es in Umfangsrichtung abwechselnd
Polflächen 11' und Pollücken ll" aufweist.
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Deutlich ist dies aus Fig, 3 zu ersehen. In Ruhestellung, d.h. wenn
keine Torsionsschwingungen in der Kurbelwelle auftreten, stehen sich auf Grund des
magnetischen Feldes 12 die Polflächen lo' des Feinpolrasters lo am magnetischen
Rückschluß 2 und die Polflächen ll' des Feinpolrasters 11 am Sekundärteil 6 einander
gegenüber.
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Auch ist ersichtlich, daß im Feinpolraster lo am magnetischen Rückschluß
2 die Breite der Polflächen lo' zu der der Pollücken lo" in einem Verhältnis 1:1
stehen, während sie beim Feinpolraster 11 am Sekundärteil ein Verhältnis 1:2 aufweisen.
Die vorgenannte Feinpolstruk tur ist das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen
Dämpferkonzepts.
Da die Kraftlinien nach der Faradayschen Vorstellung das Bestreben sich zu verkürzen
haben, passieren die vom Dauermagneten 8 ausgesandten magnetischen Feldlinien 12
den Luftspalt 7 bevorzugt über die Stirnflächen der einzelnen Polflächen 11'. Das
magnetische Feld entwickelt zwei Komponenten der Kraft. Die eine versucht das Sekundärteil6
und den magnetischen Rückschluß 2 einander in axialer Richtung zu nähern, d.h.
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sie versucht das magnetische Material zu verlängern, soweit dies von
den Axiallagern 13 zugelassen wird. Hingegen hat die in Umfangrichtung wirkende
zweite Kraftkomponente das Bestreben, die Polflächen lo', 11' der beiden Feinpolraster
lo, ll so lange gegeneinander zu verschieben, bis sich die Polmitten wieder gegenüberstehen,
d.h. sie versucht, die Länge der Flußlinien zu verkürzen und den vom Fluß durchsetzten
Querschnitt zu vergrößern. Treten nun Torsionsschwingungen der Kurbelwelle auf,
verlagern sich also die Polmitten in Umfangsrichtung exzentrisch zueinander, es
findet eine zeitliche Änderung des die Spalte und das magnetische Material des Sekundärteiles
6 und des magnetischen Rückschlusses 2 durchsetzenden Magnetflusses statt. Der magnetische
Widerstand ist eine Funktion des relativen Verdrehwinkels der Polmitte zwischen
Sekundärteil 6 und magnetischem Rückschluß 2, seinerseits hervorgerufen durch einen
Verdrehwinkel zwischen Sekundärteil 6 und freiem Kurbelwellenende, der eine Funktion
der Zeit ist. Hieraus folgt, daß der magnetische Fluß gleichfalls zeitlichen Schwankungen
unterworfen ist. Auf den vorliegenden Fall übertragen haben äußere Kräfte, welche
die Mitten der Magnetpolflächen lo', ll' voneinander entfernen wollen, Kurzschlußströme
im Kurzschlußring 9 zur Folge, die das ursprüngliche Feld des Dauermagneten 8 verstärken.
Werden die Polmitten hingegen aufeinander zubewegt, wirkt der entstehende Kurzschlußstrom
entmagnetisierend.
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Fig. 4 veranschaulicht die Auswirkungen der Kurzschlußströme
während
des Zeitabschnittes einer halben Schwingungsperiode. Trägt man auf der Senkrechten
die Kraft P und auf der Waagrechten die Drehwinkeldifferenz@@ zwischen dem Sekundärteil
6 und dem freien Kurbelwellenende auf, was der relativen Verschiebung der Mitten
der Polflächen lo', 1i' entspricht, so erkennt man das Entstehen von zwei Hysteresisschleifen,
deren Flächeninhalte 16, 17 die Einzelanteile der mechanischen Erregerenergie repräsentieren,
die vom Drehschwingungsdämpfer innerhalb der Kurzschlußringe 9 (Fläche 16) und des
Axiallagers 13 (Fläche 17) in Wärme umgewandelt werden. Versucht man die Dämpferfunktion
mit einem mechanischen Ersatzsystem zu beschreiben, so kann man sich die Magnetfeldwirkung
im stationären Zustand unter vorläufiger Vernachlässigung der Dämpfungskraft durch
zwei nicht lineare Federn ersetzt denken. Die das freie Kurbelwellenende und das
Sekundärteil verbindende Zugkraftfeder wirkt in axialer Richtung. Ihre Kennlinie
18 beschreibt einen degressiven Kraftverlauf bei Veränderung des relativen Verdrehwinkels,
d.h. bei einer relativen Verschiebung der Mitten der Polflächen 1o', 11'. Die Torsionsfeder,
die ebenfalls zwischen dem freien Kurbelwellenende und dem Sekundärteil 6 liegt,
besitzt dagegen eine Kennlinie 19 mit progressiver Charakteristik. Eine konstruktive
Beeinflussung der Federkennlinien ist beispielsweise durch Variation des Verhältnisses
der Breiten der beiden Polflächen 10', ll' möglich. Außerdem sind dadurch Beeinträchtigungen
des Dämpfungsvermögens infolge temperaturbedingter Verschlechterung der Resonanz
sowie der magnetischen und elektrischen Leitfähigkeit fast völlig auszuschließen.
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Fig. 4 zeigt einen Hysteresiseffekt, hervorgerufen vom Axiallager
13, dessen Widerstand gegen Verdrehung vom Kraftverlauf der magnetischen Axialfeder
gesteuert wird.
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Erfolgt eine Erregung des elektromagnetischen Drehschwingungsdämpfers
durch eine Torsionsschwingung, so erkennt man an dem Wandern des Punktes K entlang
der Kennlinie,
daß der Haftkraftanteil PO das Sekundärteil so lange
angekuppelt hält, bis eintretende Resonanz zu einer relativen Verdrehung der Kurbelwelle
zum Sekundärteil 6 führt. Dadurch wird eine Verstimmung des Feder-Masse-Systems
hin zu höherem Torsionseigenfrequenzen infolge Abkoppelung des Sekundärteiles 6
eingeleitet. Gleichzeitig erfolgt Energieverzehr durch Reibung, darstellbar mit
der Fläche der Hysteresisschleife des Axiallagers 13. Eine Verschiebung des Punktes
K in Richtung des Pfeiles 20 erfolgt, wenn das Verhältnis der Breiten der Polflächen
11':1o' kleiner gewählt wird. Bei der Wahl eines größeren Verhältnisses verschiebt
sich der Punkt K in Richtung des Pfeiles 21.