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Die
Erfindung betrifft ein Entkopplungselement, mit dem sich Drehschwingungen
ausgesetzte Komponenten entkoppeln lassen, insbesondere Komponenten
eines Antriebsstrangs eines Nebenaggregatantriebs einer Verbrennungskraftmaschine.
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Beim
Antrieb von Nebenaggregaten von Brennkraftmaschinen kann es innerhalb
des Antriebsstrangs aus mehreren Gründen zum Auftreten von Drehschwingungen
kommen. Zum Beispiel wird die Kurbelwelle bei jedem Arbeitstakt
in einem Zylinder kurzzeitig kräftig
angeregt, während
in den Zeiten zwischen den jeweiligen Arbeitstakten nahezu kein Drehmoment
auf die Kurbelwelle wirkt. Während
in diesem Fall die Ursache der Drehschwingungen auf der Primär- oder
Antriebsseite des Antriebsstrangs liegt, werden Drehschwingungen
auf der Sekundär- oder
Abtriebsseite zum Beispiel durch periodisch schwankende Drehmomente
an den Nebenaggregaten hervorgerufen. Unter ungünstigen Umständen können beide
Arten von Drehschwingungen zu einer Schwingungsanregung in kraftübertragenden
Komponenten des Antriebsstrangs führen, wie zum Beispiel in Stirnradgetrieben
oder Umschlingungstrieben, vor allem wenn die Frequenz der Drehschwingungen
im Wesentlichen der Eigenfrequenz dieser Komponenten oder eines
von mehreren Komponenten gebildeten Systems entspricht. Dies wiederum hat
zur Folge, dass die dynamische Belastung des Antriebsstrangs und
der von diesem angetriebenen Nebenaggregate steigt, wodurch wiederum
die Betriebslebensdauer der kraftübertragenden Komponenten und
der Nebenaggregate abnimmt. Außerdem
können
Drehschwingungen infolge des vorhandenen Spiels zwischen benachbarten,
im Zahneingriff stehenden Komponenten des Antriebsstrangs durch
Zahnhämmern
zu einer unerwünschten
Verstärkung
der Schallabstrahlung der Verbrennungskraftmaschine führen.
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Um
die Übertragung
von Drehschwingungen zu reduzieren, ist es bereits bekannt, im Antriebsstrang
zwischen der Kurbelwelle und den Nebenaggregaten einer Verbrennungskraftmaschine
Entkopplungselemente vorzusehen, die zur Schwingungsentkopplung
von Komponenten des Antriebsstrangs dienen und Torsions- oder Drehfedern
enthalten. Unter anderem offenbart zum Beispiel die
DE 199 19 449 A1 ein Entkopplungselement
mit ineinander liegenden Spiralfedern in einem Riemen- oder Kettentrieb für ein Nebenaggregat.
Weitere Vorschläge
zur Schwingungsdämpfung
und Entkopplung finden sich in der
EP 0 987 472 A2 .
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Außerdem beschreibt
die
DE 101 18 277
A1 eine Vorrichtung zum Spannen eines Antriebsriemens für Nebenaggregate
an einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Torsionsfeder, die mit
Hilfe eines Elektromotors mehr oder weniger stark vorgespannt werden
kann. Die bekannte Vorrichtung gestattet es, die Federkennlinie
der Torsionsfeder aktiv um ein vorgegebenes Drehmoment in positiver
oder negativer Richtung zu verschieben, wobei jedoch die Form der
Federkennlinie unverändert
bleibt.
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Auch
die
DE 197 06 313
A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Spannen von Riemen,
insbesondere bei Riemenantrieben von Nebenaggregaten von Verbrennungskraftmaschinen,
mit einem ersten Teil, einem relativ zum ersten Teil verschwenkbaren
zweiten Teil und einer zwischen dem ersten und dem zweiten Teil
angeordneten Spiralfeder, die das erste Teil und das zweite Teil
federnd miteinander verbindet, mit ihrem einen Ende am einen Teil
und mit ihrem anderen Ende am anderen Teil befestigt ist und in
einer Kammer mit einer viskosen Flüssigkeit als Dämpfungsmittel
angeordnet ist. Das Funktionsprinzip dieser Vorrichtung besteht
darin, durch Verdrängung von
Flüssigkeit
aus Zwischenräumen
der Spiralfeder in andere Zwischenräume für eine Dämpfung der Relativbewegung
zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil zu sorgen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein passives Entkopplungselement
zu entwickeln, mit dem sich die Übertragung von
Drehschwingungen reduzieren und insbesondere eine Anregung von Komponenten
durch die Drehschwingungen verhindern lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei nutzt die vorliegende Erfindung die Tatsache aus, dass sich
die schraubenförmig
gewundene Torsionsfeder im Falle einer durch Drehschwingungen verursachten
Relativdrehung der beiden Körper
in Bezug zueinander zuerst linear verformt und sich dann allmählich gegen
die äußere Umfangsfläche des
inneren Körpers
oder gegen die innere Umfangsfläche
des äußeren Körpers anlegt.
Dadurch ergibt sich ein nicht-linearer Verlauf der Kennlinie der
Federmoments, die während
der elastischen Verformung der Torsionsfeder relativ flach ist und
dann mehr oder weniger scharf abknickt und steil ansteigt bzw. abfällt, sobald
sich die Windungen der Torsionsfeder gegen die äußere Umfangsfläche des
inneren Körpers
oder gegen die innere Umfangsfläche
des äußeren Körpers anlegen.
Durch eine geeignete Wahl der Form der Torsionsfeder sowie der äußeren Umfangsfläche des
inneren Körpers
und der inneren Umfangsfläche des äußeren Körpers kann
der Verlauf der Federkennlinie am Übergang zwischen ihrem jeweiligen flachen
Abschnitt und ihrem jeweiligen steilen Abschnitt wunschgemäß gestaltet
werden. Zum Beispiel kann unter Berücksichtigung der in einem Antriebsstrang
eines Nebenaggregatantriebs induzierten Drehschwingungen ein Verlauf
gestaltet werden, der einer Schwingungsanregung von Komponenten dieses
Antriebsstrangs wirkungsvoll entgegenwirkt.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die
Windungen der Torsionsfeder entlang einer zur Drehachse rotationssymmetrischen
Fläche
erstrecken, die in Bezug zur äußeren Umfangsfläche des
inneren Körpers
und zur inneren Umfangsfläche
des äußeren Körpers parallel oder
unter einem Winkel geneigt ist, wobei der Neigungswinkel zu beiden
Flächen
vorzugsweise derselbe ist, so dass die Federkennlinie von der Richtung
des aufgebrachten Drehmoments weitgehend unabhängig ist.
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Vorzugsweise
ist die von den Windungen der Torsionsfeder aufgespannte Fläche entweder
zylindrisch oder konisch, so dass ggf. im Handel erhältliche Federn
verwendet werden können.
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Wenn
die von den Windungen der Torsionsfeder aufgespannte Fläche zylindrisch
ist und eine Federkennlinie mit einem weichen Übergang zwischen ihrem flachen
Abschnitt und ihrem steilen Abschnitt gestaltet werden soll, sieht
eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass sich die äußere Umfangsfläche des
inneren Körpers
und die innere Umfangsfläche
des äußeren Körpers in
Richtung der Drehachse verjüngen,
so dass in einer Richtung der Drehachse der radiale Abstand der
Windungen der Torsionsfeder von der äußeren Umfangsfläche des inneren
Körpers
zunimmt und von der inneren Umfangsfläche des äußeren Körpers abnimmt, so dass sich
die Windungen der Torsionsfeder mit steigendem Drehmoment allmählich gegen
eine der beiden Umfangsflächen
anlegen. Demgegenüber
wird eine Federkennlinie mit einem härteren Übergang erzeugt, wenn der Neigungswinkel
zwischen der äußeren Umfangsfläche des
inneren Körpers
bzw. der inneren Umfangsfläche
des äußeren Körpers und
der von den Windungen der Torsionsfeder aufgespannten Zylinderfläche kleiner
oder gar zu Null wird, so dass sich innerhalb eines kleinen Drehmomentbereichs
sämtliche
Windungen nahezu gleichzeitig gegen eine der beiden Umfangsflächen anlegen.
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Entsprechend
kann ein weicher Übergang zwischen
dem flachen und dem steilen Abschnitt der Federkennlinie auch dadurch
erreicht werden, dass eine konische Torsionsfeder mit benachbarten
zylindrischen Umfangsflächen
der beiden Körper
zusammenwirkt, oder sowohl die Umfangsflächen und die von den Windungen
der Torsionsfeder aufgespannte Fläche konisch sind, jedoch unterschiedlich
große Neigungswinkel
besitzen, während
sich bei Verwendung einer konischen Torsionsfeder ein harter Übergang dadurch
erreichen lässt,
dass man auch die Umfangsflächen
der beiden Körper
konisch macht und ihnen im Wesentlichen denselben Neigungswinkel
wie der Torsionsfeder gibt.
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Um
dem Entkopplungselement zusätzlich Dämpfungseigenschaften
zu verleihen, wird bevorzugt die äußere Umfangsfläche des
inneren Körpers und/oder
die innere Umfangsfläche
des äußeren Körpers mit
einer druckfesten, in begrenztem Maß elastisch verformbaren Beschichtung
versehen, in die sich die Torsionsfeder etwa eindrücken kann.
Diese Beschichtung dient gleichzeitig auch zur Geräuschdämpfung.
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Das
erfindungsgemäße Entkopplungselement
kann mit Vorteil eingesetzt werden, um die Eigenfrequenzen eines
Systems zu verstimmen, so dass es durch Drehschwingungen nicht so
leicht angeregt werden kann. Wenn das System vom Antriebsstrang
eines Nebenaggregatantriebs einer Verbrennungskraftmaschine gebildet
wird, ist vorzugsweise einer der beiden Körper drehfest mit einem treibenden
Glied des Antriebsstrangs und der andere der beiden Körper drehfest
mit einem angetriebenen Glied des Antriebsstrangs verbunden. Wenn
der Antriebsstrang eine über
einen Umschlingungstrieb oder ein Zahnradgetriebe von der Kurbelwelle
angetriebene Nebenaggregatantriebswelle umfasst, ist zweckmäßig der
innere Körper
drehfest mit dieser Welle verbunden, während der äußere Körper drehfest mit einem auf
der Welle montierten Zahnrad des Umschlingungstriebs bzw. des Zahnradgetriebes verbunden
ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements
mit einer zylindrischen Torsionsfeder zwischen konischen Umfangsflächen zweier
Körper;
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2:
eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Entkopplungselements
mit einer zylindrischen Torsionsfeder zwischen zylindrischen Umfangsflächen zweier
Körper;
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3:
eine Darstellung der jeweiligen Federkennlinie der Torsionsfedern
aus 1 und 2 in Abhängigkeit von einem Drehmoment
zwischen den Körpern.
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Das
in der Zeichnung dargestellte Entkopplungselement 1 dient
dazu, der Übertragung
von Drehschwingungen zwischen zwei Komponenten entgegenzuwirken,
insbesondere zwischen einer Antriebskomponente und einer von dieser
drehend angetriebenen Komponente, und die Anregung eines aus den
Komponenten oder einem Teil der Komponenten bestehenden schwingungsfähigen Systems mit
einer der Schwingungsfrequenz der Drehschwingungen im Wesentlichen
entsprechenden Eigenfrequenz zu verhindern.
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Das
Entkopplungselement 1 besteht im Wesentlichen aus zwei
um eine Drehachse 2 in Bezug zueinander drehbaren Körpern 3, 4 und
einer die beiden Körper 3, 4 verbindenden
Dreh- oder Torsionsfeder 5.
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Die
beiden Körper 3, 4 umgeben
die Drehachse 2, wobei der innere Körper 3 derart in eine
zur Drehachse 2 koaxiale Ausnehmung 6 des äußeren Körpers 4 eingesetzt
ist, dass zwischen den beiden Körpern 3, 4 ein
umlaufender Ringspalt 7 gebildet wird. Dieser Ringspalt 7 weist
in den Darstellungen der 1 und 2 eine relativ
große
Weite auf, ist jedoch in der Praxis so bemessen, dass sich die Dreh-
oder Torsionsfeder 5 gerade noch mit etwas Spiel in den
Ringspalt 7 einsetzen lässt.
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Während bei
dem Ausführungsbeispiel
in 1 der innere Körper 3 durch
eine in Richtung der Drehachse 2 konisch verjüngte äußere Umfangsfläche 8 und
der äußere Körper 4 durch
eine in derselben Richtung verjüngte,
der äußeren Umfangsfläche 8 in
konstantem Abstand gegenüberliegende
innere Umfangsfläche 9 begrenzt
wird, werden bei dem Ausführungsbeispiel
in 2 sowohl der innere als auch der äußere Körper 3 bzw. 4 zum
Ringspalt 7 hin von einer zylindrischen äußeren bzw.
inneren Umfangsfläche 10 bzw. 11 begrenzt.
Die in 1 und 2 dargestellten Formen der Umfangsflächen 8, 9; 10, 11 des
inneren und äußeren Körpers 3, 4 stellen
jedoch nur Beispiele dar und können
stattdessen beliebige identisch, ähnlich oder unterschiedlich
geformte Querschnittsprofile aufweisen.
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Der
innere und der äußere Körper 3, 4 können beispielsweise
aus Metall bestehen, das im Bereich der äußeren Umfangsfläche 8; 10 des
inneren Körpers 3 und
der inneren Umfangsfläche 9; 11 des äußeren Körpers 4 mit
einer Beschichtung 12 aus einem druckfestem Polymermaterial,
zum Beispiel Polyamid 4.6, versehen ist.
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Die
als Schraubenfeder ausgebildete Dreh- oder Torsionsfeder 5 weist
mehrere schraubenförmig um
die Drehachse 2 verlaufende Windungen 13 auf, die
im Ringspalt 7 zwischen den zur Drehachse 2 rotationssymmetrischen
Umfangsfläche 8, 9 bzw. 10, 11 des
inneren und des äußeren Körpers 3, 4 angeordnet
sind. Das eine Ende der Dreh- oder Torsionsfeder 5 ist
drehfest mit dem inneren Körper 3 verbunden,
während
das entge gengesetzte Ende der Dreh- oder Torsionsfeder 5 drehfest
mit dem äußeren Körper 4 verbunden
ist. Diese Verbindung kann zum Beispiel dadurch hergestellt werden,
dass man von den beiden an die äußersten
Windungen anschließenden Enden
(nicht sichtbar) der Dreh- oder Torsionsfeder 5 eines bei
A radial nach innen und das andere bei B radial nach außen abbiegt
und mit einer entsprechend angeordneten radialen Bohrung (nicht
sichtbar) im inneren bzw. äußeren Körper 3 bzw. 4 in
Eingriff bringt.
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Bei
der in der Zeichnung dargestellten Dreh- oder Torsionsfeder 5 spannen
die Mittelachsen M der Windungen 13 eine zur Drehachse 2 koaxiale
zylindrischen Fläche
auf, wobei benachbarte Windungen 13 in axialer Richtung
der Drehachse 2 gegeneinander anliegen. Jedoch versteht
sich, dass auch Dreh- oder Torsionsfedern 5 mit einer anderen
Gestalt verwendet werden können,
zum Beispiel kegelförmig verjüngte Dreh-
oder Torsionsfedern mit schraubenförmigen Windungen, die in einem
Abstand voneinander angeordnet sind und mit ihren Mittelachsen M eine
zur Drehachse koaxiale konische Fläche aufspannen. Der Federdraht
der Torsionsfeder kann ein runde Querschnittsform besitzen, wie
in 1 und 2 dargestellt, jedoch können auch
unrunde Querschnittsformen verwendet werden, wie beispielsweise
rechteckige oder quadratische Querschnittsformen.
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Die
Dreh- oder Torsionsfeder 5 ist jedoch stets so bemessen,
dass in ihrem in 1 und 2 dargestellten
entlasteten Ruhezustand sämtliche Windungen 13 in
einem gewissen, wenn auch geringen Abstand von der äußeren Umfangsfläche 8; 10 des
inneren Körpers 3 und
der inneren Umfangsfläche 9; 11 des äußeren Körpers 4 angeordnet
sind und nicht gegen diese anliegen.
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Wenn
die beiden Körper 3, 4 in
diesem Zustand durch ein auf einen der beiden Körper 3, 4 einwirkendes äußeres Drehmoment
um die Drehachse 2 gegeneinander verdreht werden, wird
die Dreh- oder Torsionsfeder 5 zuerst ausschließlich linear
verformt und legt sich dann bei einem weiteren Anstieg des äußeren Drehmoments
je nach Richtung des Drehmoments gegen die äußere Umfangsfläche 8; 10 des
inneren Körpers 3 oder
gegen die innere Umfangsfläche 9; 11 des äußeren Körpers 4 an,
da sich infolge der elastischen Verformung der Dreh- oder Torsionsfeder 5 deren
Innen- und Außendurchmesser
verändert,
wobei er je nach Richtung des Drehmoments bzw. der Relativdrehung
kleiner oder größer wird.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel legen sich die
Windungen 13 der Dreh- oder Torsionsfeder 5 ganz
allmählich
gegen die äußere Umfangsfläche 8 des
in neren Körpers 3 oder
die innere Umfangsfläche 9 des äußeren Körpers 4 an, und
zwar beginnend mit derjenigen Windung 13, deren Abstand
von der äußeren bzw.
inneren Umfangsfläche 8 bzw. 9 am
kleinsten ist, d.h. mit einer der beiden äußersten Windungen 13 in
der Nähe
der jeweiligen drehfesten Verbindung zwischen der Feder 5 und
dem Körper 3 bzw. 4.
Demgegenüber
legen sich bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sämtliche
Windungen 13 der Dreh- oder Torsionsfeder 5 nahezu
gleichzeitig gegen die äußere Umfangsfläche 10 des
inneren Körpers 3 oder
gegen die innere Umfangsfläche 11 des äußeren Körpers 4 an.
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Dies
führt dazu,
dass man trotz Verwendung von ein und derselben Dreh- oder Torsionsfeder 5 stark
unterschiedliche Federkennlinien erhält, wie in 3 dargestellt.
Während
die mit I gekennzeichnete Kennlinie der Dreh- oder Torsionsfeder 5 aus 1 während ihrer
elastischen Verformung beiderseits des unbelasteten Ruhezustands
im Koordinatennullpunkt zuerst flach und dann mit einem weichen Übergang
steil ansteigt bzw. abfällt,
sobald sich die Windungen 13 gegen die äußere oder innere Umfangsfläche 8 bzw. 9 anlegen,
weist die mit II gekennzeichnete die Kennlinie der Dreh-
oder Torsionsfeder 5 aus 2 zwischen
ihrem flach und ihrem steil ansteigenden bzw. abfallenden Abschnitt
einen harten abrupten Übergang
auf.
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Somit
zeigt 3, dass sich durch eine geeignete Form und geeignete
Abmessungen der Umfangsflächen 8, 9; 10, 11 sowie
durch eine daran angepasste Gestalt der Torsionsfeder 5 nicht
nur der Drehwinkel der beiden Körper 3, 4 verändern lässt, bei
dem der flache Abschnitt der Federkennlinie I, II in
deren steilen Abschnitt übergeht,
sondern dass auch die Form dieses Übergangs, das heißt der Verlauf
der Federkennlinie bzw. des Federmoments im Übergangsbereich, in weiten
Grenzen gestaltet werden kann.
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Durch
den Kontakt zwischen der Dreh- oder Torsionsfeder 5 und
dem benachbarten Körper 3 bzw. 4,
gegen den sich die erstere anlegt, wird auch eine gewisse Dämpfung der
Drehschwingungen erreicht, die durch die aus dem druckfesten Polymermaterial
bestehende Beschichtung 12 der Umfangsflächen 8, 9; 10, 11 noch
gesteigert werden kann. Infolge der durch das Polymermaterial hervorgerufenen
weicheren Anschlagcharakteristik lassen sich auch die vom Entkopplungselement 1 zum
Beispiele im Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine erzeugten Störgeräusche minimieren.
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Die
Anforderungen an die Federkennlinie I, II hängen dabei
unter anderem von den Frequenzen der auf das Entkopplungselement 1 einwirkenden Drehschwingungen
bzw. der Eigenfrequenzen der mit dem bzw. durch das Entkopplungselement 1 verbundenen Komponenten
ab, zum Beispiel zwei rotierenden Komponenten (nicht dargestellt)
eines Antriebsstrangs eines Nebenaggregatantriebs einer Verbrennungskraftmaschine,
wie einer Nebenaggregatantriebswelle und einem zum Antrieb der Nebenaggregatantriebswelle
dienenden Zahnrad, das über einen
Umschlingungstrieb oder ein Zahnradgetriebe von der Kurbelwelle
angetrieben wird. In einem solchen Fall wird zweckmäßig die
Nebenaggregatantriebswelle drehfest mit dem inneren Körper 3 und das
Zahnrad drehfest mit dem äußeren Körper 4 verbunden.
Infolge der beschriebenen Nicht-Linearität verstimmt das derart im Antriebsstrang
zwischen der Kurbelwelle und der Nebenaggregatantriebswelle angeordnete
Entkopplungselement 1 die Eigenfrequenzen der Komponenten
des Antriebsstrangs und erschwert so im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
einerseits eine Anregung der Nebenaggregatantriebswelle durch primär- oder
antriebsseitig erzeugte Drehschwingungen, andererseits jedoch auch
eine Anregung der Kurbelwelle durch sekundär- oder abtriebsseitig erzeugte
Drehschwingungen der Nebenaggregatantriebswelle.
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Alternativ
könnte
das Entkopplungselement
1 auch als Teil einer Spannvorrichtung
zum Spannen eines Umschlingungstriebs verwendet werden, wie sie
zum Beispiel in der
DE
101 18 277 A1 beschrieben ist, wobei in diesem Fall das
passive erfindungsgemäße Entkopplungselement
1 das
Federelement ersetzt, dessen Federvorspannung aktiv mittels eines
Elektromotors veränderbar
ist.
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- 1
- Entkopplungselement
- 2
- Drehachse
- 3
- innerer
Körper
- 4
- äußerer Köper
- 5
- Torsionsfeder
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Ringspalt
- 8
- äußere Umfangsfläche des
inneren Körpers
- 9
- innere
Umfangsfläche
des äußeren Körpers
- 10
- äußere Umfangsfläche des
inneren Körpers
- 11
- innere
Umfangsfläche
des äußeren Körpers
- 12
- Beschichtung