DE4219482A1 - Schraubenfeder, insbesondere fuer einen drehschwingungsdaempfer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schraubenfedern, insbesondere für Drehschwingungsdämpfer.

Bekanntlich ist eine Schraubenfeder (auch als Spiralfeder bezeichnet) insbesondere durch den Querschnitt ihres Drahts, den Wickelradius des selben und die Steigung gekennzeichnet. Der Drahtquer­ schnitt ist gewöhnlich kreisförmig.

In der US-47 35 403 wurde vorgeschlagen, einen Draht herzustellen, dessen Längsquerschnitt eine Oberfläche besitzt, die im Außenteil der Spiral­ feder im wesentlichen halbkreisförmig und im Innen­ teil dieser Feder im wesentlichen halbelliptisch ist, mit einem tangierenden Kreisbogen zwischen der Halbellipse und dem Halbkreis.

Solche Querschnitte sind nicht optimal, soweit es die Reduzierung der Höhe anbelangt, und weisen in der Praxis ein etwas höheres Spannungsmaximum auf als bei einer Feder mit kreisförmigem Querschnitt, wobei sich das Spannungsmaximum, wie in diesem Dokument erwähnt, auf 550 beläuft.

Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, diese Schwierigkeit zu beseitigen und somit die Höhe des Querschnitts (oder die freie Länge) zu reduzieren, während man gleichzeitig für die gleiche freie Höhe und den gleichen Außendurchmesser der Feder ein Spannungsmaximum erhält, welches möglichst nahe an demjenigen einer Feder aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt liegt.

Gemäß der Erfindung ist eine Spiralfeder dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt ihres Drahts im wesentlichen von ovaler Form ist, mit einer zur Außenseite der Feder gerichteten Spitze und zwei Wülsten, und daß der genannte Querschnitt durch zwei symmetrische Mehrbogenkrümmungen in Form von Keilzähnen (oder Latten) begrenzt ist, die miteinan­ der verbunden sind. Die Keilzähne begrenzen eine Spitze mit kleinem Krümmungshalbmesser, so daß die Spitze im wesentlichen abgeflacht ist.

Dank dieser Anordnung wird die Höhe des Drahts weiter reduziert. Dank der Wülste ist das Spannungs­ maximum am Innenteil der Peripherie (d. h. zwischen den beiden Wülsten) geglättet, wodurch ein Span­ nungsmaximum erzielt werden kann, welches praktisch gleich demjenigen einer Feder mit kreisförmigem Querschnitt ist. Auf diese Weise entfällt alles überflüssige Material und die Krümmungsveränderun­ gen im Querschnitt werden gedämpft.

Man wird verstehen, daß es, insbesondere im Rahmen eines Drehschwingungsdämpfers, möglich ist, eine größere Winkelverschiebung zwischen den beiden koaxialen Teilen zu erzielen, die ein solcher Dämpfer gewöhnlich aufweist. Diese größere Verschie­ bung erleichtert die Filtration der Vibrationen und die Minimierung des Lärms.

Wenn die Feder im Ventilsektor verwendet wird, kann man die Anzahl der Windungen verringern und somit eine Gewichtszunahme und eine Energieminimierung bewirken.

Man wird verstehen, daß sich die Blocklänge der Feder im Verhältnis zu einer Feder aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt verringert.

Die nachfolgende Beschreibung veranschaulicht die Erfindung im Rahmen einer Kupplungsscheibe für ein Kraftfahrzeug und unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Zeichnungen, die folgendes darstellen:

Fig. 1 ist ein Teilaufriß eines Drehschwingungs­ dämpfers entlang dem Pfeil 1 aus Fig. 2.

Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht entlang der punktierten Linie 2-2 aus Fig. 1.

Fig. 3 ist ein Teilaufriß der Spiralfeder gemäß der Erfindung mit örtlichen Ausbrüchen.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt des Drahts gemäß der Erfindung mit den entsprechenden Tangenten.

Fig. 5 ist eine Ansicht in verändertem Maßstab, gleich der Ansicht aus Fig. 4, ohne die Tangenten.

Fig. 6 zeigt die Kennlinie einer Feder mit kreisförmigem Querschnitt, mit den Spannungen in der Ordinate und der Position am Perimeter des Querschnitts in der Abszisse.

Fig. 7 ist eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 6 für das Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Fig. 8 ist eine Überlagerung der Querschnitte eines Drahts gemäß der Erfindung und eines Drahts mit umgekehrtem Querschnitt im Verhältnis zur US-A 47 35 403, wobei die Spitze nach außen gerichtet ist.

Fig. 9 ist eine ähnliche Ansicht wie die in Fig. 8, wobei der andere Draht einen Querschnitt besitzt, der durch eine Halbellipse und einen Halbkreis begrenzt wird, mit einem ungewöhnlichen Verhältnis.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Drehschwingungs­ dämpfer in Form einer Kupplungsscheibe für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor dargestellt, der im wesentlichen zwei koaxiale Teile enthält, die im Verhältnis zueinander drehbeweglich ange­ bracht sind, und zwar innerhalb der Grenzen einer festen Winkelverschiebung, gegen die Wirkung von am Umfang angreifenden Spiralfedern.

Auf übliche Weise enthält ein erster Teil E eine Nabe 10, die innen für die feste drehbewegliche Verbindung, hier mit der Antriebswelle des Fahrzeug­ getriebes, geriffelt ist und die außen radial vorspringend einen Nabenflansch 11 trägt, die damit drehbeweglich fest verbunden ist, eventuell ohne Spielausgleich. Hier ist dieser Flansch 11 durch Falzung an der Nabe angebracht, aber bei einer Ausführungsvariante kann er aus einem Stück mit der Nabe 10 bestehen.

Der zweite Teil F besitzt zwei Führungsscheiben 12, die sich im Verhältnis zur Achse der Nabe 10 beider­ seits des Nabenflanschs 11 und in einem Abstand dazu in Querrichtung erstrecken und die miteinander von Punkt zu Punkt durch axiale Zwischenstücke 13 verbunden sind, welche mit einem Spiel durch Öffnun­ gen 14 hindurchtreten, die zu diesem Zweck an der Außenperipherie des Flanschs 11 vorgesehen sind. Dieser Teil F weist ebenfalls eine Reibscheibe 16 auf, die fest mit den Scheiben 12 verbunden ist, bei Kontakt einer dieser Scheiben durch die Zwi­ schenstücke 13. Diese Scheibe 16 trägt beiderseits der Peripherie Reibbeläge 17.

Bekanntlich sind diese Beläge 17 geeignet, zwischen der Druckplatte und dem Schwungrad (nicht darge­ stellt) der Kupplung eingeklemmt zu werden, wobei hier die genannten Elemente drehbeweglich fest mit der Kurbelwelle des Fahrzeug-Verbrennungsmotors verbunden sind.

Zwischen diesen Teilen E und F liegen am Kreisum­ fang Spiralfedern 18, in diesem Falle sechs Stück, sowie Reibmittel mit Reibscheiben, die elastisch austariert sind und axial zwischen dem Flansch 11 und den Scheiben 12 liegen, wie dies beispielsweise in der DE-A-24 06 348 beschrieben ist.

Diese Federn 18 sind rundherum gleichmäßig verteilt und tangieren jeweils den gleichen Kreisumfang der Einheit. Die einzelnen Federn sind teilweise in einer Aufnahme angeordnet, die im rotierenden Teil E ausgebildet ist, und teilweise in einer Aufnahme, die sich im rotierenden Teil F befindet.

Hier liegen die Federn 18 aus elastischem Metall­ draht in Fenstern 19, die im Nabenflansch 11 ange­ bracht sind, und in Fenstern 20 der Führungsschei­ ben 12; dabei entsprechen die genannten Fenster 19 und 20 einander.

Gemäß der Erfindung ist eine Spiralfeder der oben bezeichneten Art dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt 1 des Drahts im wesentlichen von ovaler Form ist, mit einer im Verhältnis zur Feder nach außen gerichteten Spitze 2 und zwei Wülsten 3, und daß der genannte Querschnitt durch zwei symmetri­ sche Mehrbogenkrümmungen in Form von miteinander verbundenen Keilzähnen begrenzt ist.

Hier (Fig. 5) ist der eiförmige Querschnitt des Drahts symmetrisch zur Außenseite der Feder hin (lotrecht zur Symmetrieachse derselben) verlängert und wird durch zwei symmetrische, miteinander verbundene Keilzähne 6 und 7 begrenzt. Entgegen der in der US-A-47 35 403 beschriebenen Anordnung ist also die Spitze des Querschnitts nach außen gerich­ tet und dank der Wülste 3 ist es möglich, die Spannungen so zu glätten, wie dies in Fig. 7 zu sehen ist, wobei der Nullpunkt dem Punkt 4 (oder Pol) der Fig. 4 entspricht, mit den Spannungen C in der Ordinate und der Position am Perimeter des Drahtquerschnitts in Abszisse P, während der Punkt 4 den Bezugspol oder das innere Ende bezeichnet. Die Krümmungsänderungen des Querschnitts werden gedämpft. Die Spitze 2 weist somit einen kleineren Krümmungshalbmesser auf als der restliche Quer­ schnitt und besitzt damit eine im wesentlichen abgeflachte Form.

Tatsächlich wird man verstehen, daß die Maximal­ spannungen im Verhältnis zur Krümmung aus Fig. 6 in Verbindung mit einer Feder mit kreisförmigem Querschnitt im Innenteil des Querschnitts verteilt sind, d. h. zwischen den beiden Wülsten 3 über den Punkt 4 und unter Wegfall von überflüssigem Mate­ rial.

Man wird verstehen, daß es möglich ist, die Höhe des Drahts zu reduzieren. Im einzelnen wurden Versuche mit einer Feder aus Draht mit kreisförmi­ gem Querschnitt, mit zwei Federn aus einem Draht mit einem Querschnitt entsprechend US-A-47 35 403 und mit einer Feder gemäß der Erfindung durchge­ führt.

Die durchgeführten Versuche sind in der nachstehen­ den Tabelle dargestellt, worin:

• - der Bezugsbuchstabe A eine Feder aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt bezeichnet,
• - der Bezugsbuchstabe B eine Feder aus Draht mit einem Querschnitt entsprechend der US-A-47 35 403 bezeichnet,
• - der Bezugsbuchstabe C eine Feder anderer Größe gemäß der US-A-47 35 403 bezeichnet und
• - der Bezugsbuchstabe D eine Feder gemäß der Erfin­ dung bezeichnet, und zwar hinsichtlich der Draht­ größe zunächst mit der Querabmessung und dann der Höhe.

Die in dieser Tabelle genannten Abmessungen sind Millimeter und die Belastungskräfte in Newton.

Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, ermöglicht die Feder gemäß der Erfindung eine größere Winkelver­ schiebung zwischen den beiden koaxialen Teilen E und F. Die Zunahme beträgt dabei im Verhältnis zu einer Spiralfeder mit kreisförmigem Querschnitt und gleichem Außendurchmesser sowie gleicher lichter Höhe (oder Länge) 31%. Diese Zunahme der Verschie­ bung ist größer als bei den mit dem früheren Stand der Technik erzielten Verbesserungen, während gleichzeitig kleinere Maximalspannungen erzielt werden. Das gleiche gilt hinsichtlich der Gesamt­ zahl der Windungen und der Höhe, der sogenannten blockierten Höhe, am Ende der Winkelverschiebung zwischen den beiden Teilen E, F.

Ohne also eine herkömmliche Kupplungsscheibe zu verändern, insbesondere die Abmessung von deren Aufnahmesitzen, kann man die Federn gemäß der Erfindung anstelle der üblichen Federn aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt einbauen und dabei gleichzeitig eine Maximalspannung erzielen, wie aus der Tabelle ersichtlich, die praktisch gleich derjenigen der genannten üblichen Feder ist, sowie eine Verringerung der Drahthöhe (2,92 mm gegenüber 4 mm beim früheren Stand der Technik).

Man wird bemerken, daß der Draht gemäß der Erfin­ dung verlängert ist, wobei der Innendurchmesser kleiner ist als bei dem früheren Stand der Technik. Im einzelnen ist die Drahtspitze 2 im wesentlichen flach und verläuft lotrecht zur Symmetrieachse 8 des Querschnitts. Die Wülste 3 liegen dabei nahe am Innenscheitel 4.

Dank dieser Ausführung lassen sich die Vibrationen leichter filtrieren und der Lärm, der bei der Kraftübertragung zwischen Antriebswelle und Getrie­ bewelle entsteht, minimieren.

Ebenfalls kann man die Federsteigung verändern, um eine bessere Progressivität zu erzielen, und zwar je nach Anwendungsbereich.

Man wird sich insbesondere daran erinnern, daß ein Keilzahn eine Mehrbogenkrümmung ist, die eine Formglättung ermöglicht, und daß ein Bogen eine Krümmung ist, die mathematisch durch eine polynomi­ sche Gleichung allgemein zwischen dem 1. und 15. Grad definiert ist.

Der Keilzahn besteht aus einer Folge von polynomi­ schen Verbindungsbögen, die in Tangente und Krüm­ mung kontinuierlich sind. Die dritte Ableitung ist hier kontinuierlich. Hier ist der Querschnitt im Verhältnis zur Symmetrieachse 8 symmetrisch. Jeder Keilzahn 6 und 7 wird durch zwei kubische Linien (polynomisch, dritter Grad) definiert, wobei die erste 6′ die Punkte 4-3 (Fig. 4) und die zweite 6′′ die Punkte 3-2 miteinander verbindet.

Der den Punkt 2 tangierende Vektor ist vertikal (lotrecht zur Achse 8), während der den Punkt 4 tangierende Vektor einen kleinen Winkel mit der Lotrechten zur Achse 8 bildet. Dieser Winkel be­ trägt zwischen 0 und 70, vorzugsweise 50, und erlaubt eine gute Lokalisierung der Wülste 3 und eine dementsprechende Einwärtskrümmung der Kurve. Die Scheitel 4 und 2 sind abgeflacht. An den den Wülsten 3 entsprechenden Scheiteln verlaufen die tangierenden Vektoren parallel zur Symmetrieachse 8.

Man wird bemerken, daß der Querschnitt des Drahts gemäß der Erfindung geglättet ist, gedämpfte Krüm­ mungsänderungen aufweist und daß sein äußeres Ende 2 (das am weitesten von der Symmetrieachse der Feder entfernte Ende) aus zwei Bögen besteht, die jeweils einer der Latten (oder einem der Keilzähne) 6, 7 entsprechen, die fast lotrecht zur Symmetrie­ achse 8 des Querschnitts, hier des Metalldrahts oder eines elastischen Drahts, verlaufen. Die Wülste 3 sind näher am Pol 4 (inneres Ende) als an der genannten Spitze 2 gelegen.

Natürlich kann der Federdraht aus Verbundmaterial auf der Grundlage von faserverstärktem Kunststoff bestehen.

Man wird bemerken (Fig. 8), daß man, selbst wenn die Ausrichtung des Drahtquerschnitts gemäß der US-A-47 35 403 (der zur Außenseite der Krümmung 6 hin gerichteten Spitze) verändert wird, eine größe­ re Drahthöhe erzielt als mit dem Draht gemäß der Erfindung (Krümmung H). Die Verlängerung des Drahts nach außen gemäß der Erfindung ermöglicht eine Optimierung der Krümmung.

Verwendet man einen Draht mit nur einem Quer­ schnitt, der durch einen Halbkreis mit dem Halbmes­ ser R und eine Halbellipse begrenzt wird, indem man, wie schon zuvor, die Ausrichtung verändert (Kurve I gemäß Fig. 9), so sieht man, daß es möglich ist, den gleichen Abstand zwischen den Punkten 2 und 4 für die Kurve I und die Kurve H, gemäß der Erfindung, zu erzielen.

Man wird sodann bemerken, daß man mit dem Draht gemäß der Erfindung eine flachere Spitze 2 als diejenige der Krümmung I erzielt, und daß die Wülste 3 gemäß der Erfindung axial näher am Punkt liegen als die Wülste 30 der Krümmung I. Außen verstärkt man das Material etwas zwischen den Punkten 3 und 2. Dennoch erzielt man eine bessere Glättung der Spannungen, wobei die Krümmungsverän­ derungen stärker gedämpft werden.

Man wird bemerken, daß die Krümmung I nicht gewöhn­ lich ist. Nach den von Fuchs im Jahre 1959 durchge­ führten Arbeiten, wie in der Zeitschrift "Draht" 42 (1991) 718, veröffentlicht am 1. August 1991, beschrieben, muß nach den Angaben des Europäischen Patentamts (also nach Prioritätsdatum der vorlie­ genden Anmeldung) das Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen den Punkten 2 und 4 und dem Ab­ stand zwischen den Punkten 30 einen Betrag von 1,22 (Verhältnis zwischen den Achsen) ausmachen, wie auf Seite 499 dieses Dokuments erwähnt, wobei der kreisförmige Teil nach außen gerichtet ist.

Unter Bezugnahme auf die vorerwähnte Tabelle sieht man, daß man sich von diesen Werten entfernt, wobei das Verhältnis ca. 1,7 beträgt, indem gleichzeitig die Richtung des Querschnitts umgekehrt wird. Der Draht ist somit geschmeidiger und weist Spannungen in Nähe der Werte auf, die für eine Feder mit kreisförmigem Querschnitt gelten.

Claims (5)

1. Schraubenfeder, insbesondere für einen Dreh­ schwingungsdämpfer, speziell für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtquerschnitt im wesentlichen von ovaler Form ist, mit einer im Verhältnis zur Feder nach außen gerichteten Spitze (2) und zwei Wülsten (3), und daß der genannte Querschnitt durch zwei symme­ trische Mehrbogenkrümmungen in Form von miteinander verbundenen Keilzähnen begrenzt ist.

2. Schraubenfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderun­ gen in den Krümmungen des genannten Querschnitts gedämpft sind.

3. Schraubenfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wülste (3) näher am inneren Ende (4) als an der abgeflachten Spitze (2) liegen.

4. Schraubenfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Krümmung durch zwei kubische Linien (6′, 6′′) begrenzt ist.

5. Schraubenfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Innen­ scheitel tangierende Vektor einen Winkel bildet, der im Verhältnis zur Lotrechten zur Symmetrieachse (8) des Querschnitts zwischen 0 und 7° liegt.