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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Torsionsisolationsvorrichtung
zum Isolieren von Drehmomentschwankungen und insbesondere, aber
nicht ausschließlich,
eine solche Vorrichtung zum Isolieren von Schwankungen im Antriebsdrehmoment
einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.
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Bei
Verbrennungsmotoren schwankt das auf die Kurbelwelle aufgebrachte
Drehmoment z.B. aufgrund des periodischen Zündens der die Kurbelwelle antreibenden
Motorkolben sowie aufgrund von Änderungen
der Drehzahl der Kurbelwelle. Diese Drehmomentschwankungen können auf
zusätzliche,
von der Kurbelwelle angetriebene Komponenten wie z.B. Lüfter, Wasserpumpe
oder Klimaanlage usw. übertragen werden.
Die Übertragung
solcher Schwankungen ist nicht wünschenswert,
da sie den Betrieb der Zusatzkomponenten beeinträchtigen kann.
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Die
bevorstehende Änderung
der elektrischen Stromversorgung in Kraftfahrzeugen von 12 V auf
36 V ändert
die Art und Weise, in der viele Komponenten angetrieben werden,
und hat zur Konstruktion von kombinierten Drehstromgenerator- und
Anlassermotoreinheiten (Starter-Alternator) geführt. Beim Starten des Motors
treibt der Starter-Alternator die Kurbelwelle an. Nach dem Start
treibt die Kurbelwelle den Starter-Alternator und Zusatzkomponenten an.
Starter-Alternator, Kurbelwelle und Zusatzkomponenten sind über einen
gemeinsamen Antriebsriemen miteinander verbunden, so dass Drehmoment von
der Kurbelwelle auf den Starter-Alternator oder umgekehrt übertragen
werden kann. Bei einem solchen Design müssen Drehmomentschwankungen
in der Kurbelwelle isoliert werden, wenn die Kurbelwelle den Starter-Alternator und die
Zusatzkomponenten antreibt, aber wenn der Starter-Alternator die
Kurbelwelle antreibt, dann sind die Drehmomentschwankungen vernachlässigbar.
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Antriebsvorrichtungen,
die Drehmomentschwankungen von einer Kurbelwelle isolieren, sind zwar
bekannt, sind aber für
das oben beschriebene Starter-Alternator-System nicht geeignet.
Solche Vorrichtungen sind gewöhnlich
an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs montiert,
so dass sie eine angetriebene Zusatzkomponente wie einen Lüfter oder
eine andere Vorrichtung antreiben können. Vorrichtungen dieser
Art sind häufig
mit einem Torsionsvibrationsdämpfer
in der Form eines ringförmigen
Trägheitselementes
ausgestattet, das auf einem elastomeren Material montiert ist.
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Ein
Beispiel für
eine Antriebsvorrichtung dieser Art ist im europäischen Patent Nr.
EP808431 offenbart. Dieses Dokument
beschreibt eine Antriebsvorrichtung, die ein mit der Antriebswelle
verbundenes erstes Element und ein zweites Element mit einer profilierten
Riemenscheibe hat, an der ein Keilriementrieb angebracht ist. Der
Riemen überträgt Kraft von
der Antriebswelle auf eine angetriebene Komponente. Das erste und
zweite Element sind über
einen torsional flexiblen elastischen Ring miteinander verbunden,
der scherbelastet wird und rotatorische Schwankungen bei der Bewegung
der Antriebswelle effektiv absorbiert, so dass sie nicht auf die
angetriebene Komponente übertragen
werden. Torsionsvibrationen der Welle, an der die Vorrichtung angebracht ist,
werden mit einem Trägheitsring
gedämpft,
der mittels eines elastischen Elementes mit dem ersten Element verbunden
ist.
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Da
diese Vorrichtung Drehmomentschwankungen über einen elastischen Ring
isoliert, der sich in beiden relativen Rotationsrichtungen der Elemente gleichermaßen verformen
würde,
ist sie für
die oben beschriebene Anwendung nicht geeignet. Außerdem hat
eine Vorrichtung dieser Art den Nachteil, dass das erste und das
zweite Element bei der anfänglichen
Belastung, bevor das Antriebsdrehmoment durch den torsional flexiblen
elastischen Ring auf die Last übertragen
wird, eine relativ große
relative Rotationsverschiebung erfahren. Ferner bietet das Zwischenelement
im Falle eines Ausfalls des torsional flexiblen elastischen Rings
durch Alterung oder Überbelastung
keine Antriebsverbindung zwischen der Antriebswelle und dem angetriebenen
Element. Ein weiterer Nachteil ist, dass der torsional flexible
elastische Ring wie bei allen Vorrichtungen dieser Art scherbelastet
wird. Elastomere Materialien haben unter Scherbelastung schlechte
physikalische Eigenschaften und neigen zu Verschleiß und/oder
Ausfall.
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Ein
weiteres Beispiel für
eine Antriebsvorrichtung mit Drehmomentschwankungsisolierung ist im
europäischen
Patent Nr.
EP898665 offenbart.
In diesem Fall sind das erste und das zweite Element durch eine
Mehrzahl von elastomeren Elementen miteinander verbunden, die in
einer Umfangsrichtung zwischen an dem ersten und dem zweiten Element befestigten
Halterplatten vorkomprimiert werden. Die Vorkompression der elastischen
Elemente erlaubt eine Übertragung
eines minimalen Drehmoments der Antriebswelle für ein Nenndrehmomentniveau
auf das angetriebene Element im Wesentlichen ohne Ablenkung des
elastomeren Elementes.
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Die
in der
EP898665 offenbarte
Erfindung ist für
die oben genannte Anwendung nicht nur aus denselben Gründen wie
oben erwähnt
ungeeignet, sondern sie hat auch den Nachteil, dass während des Betriebs
durch die gegen das erste und/oder zweite Element schlagenden Halterplatten
unerwünschte Geräusche erzeugt
werden. Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass die Halterplatten
auf die elastomeren Elemente geklebt werden müssen, was Produktionskomplexität und -kosten
erheblich erhöht.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten
Nachteile abzustellen oder zu mildern.
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Die
GB968.623 beschreibt eine
Kupplung mit einem Torsionsvibrationsdämpfer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 mit einer mittleren Kupplungsscheibe, die drehbar auf einer Nabe
montiert ist. Kupplungsplatten sind koaxial auf jeder Seite der Scheibe
montiert, wobei Kugeln in Führungen
zwischen den Platten und der Scheibe angeordnet sind. Das Drehmoment
wird von der Scheibe durch die Kugeln auf die Platten, die Nabe
und eine Antriebswelle übertragen.
Mit der Anordnung kann ein Fahrzeug aufgrund der großen relativen
Rotationswinkel zwischen den Kupplungsteilen in einem großen Gang mit
sehr niedrigen Drehzahlen gefahren werden und bietet Torsionsvibrationsabsorption.
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Eine
Torsionsisolationsvorrichtung zum Isolieren von Drehmomentschwankungen
in einer Drehantriebswelle hat eine Rotationsachse und umfasst Folgendes:
ein erstes Element zum Verbinden mit der Antriebswelle, ein zweites
Element zum Verbinden mit einem angetriebenen Element, wobei das erste
und das zweite Element für
eine relative Winkelverschiebung angeordnet sind, und ein Wälzelement,
das in einem Hohlraum zwischen dem ersten und dem zweiten Element
angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Element gegenüberliegende Aussparungen
aufweisen, die den Hohlraum definieren, wobei jede Aussparung eine
geneigte Fläche hat,
wobei die relative Winkelverschiebung des ersten und des zweiten
Elementes in wenigstens einer Richtung bewirkt, dass sich die geneigten
Flächen der
gegenüberliegenden
Aussparungen über
das Wälzelement
bewegen, um es zu drehen, und sich aufeinander zu bewegen, um eine
Dimension des Hohlraums zu verringern.
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Aufgrund
solcher Aussparungen können Drehmomentschwankungen
durch eine Kombination aus Rotation des Wälzelementes und Kompression entweder
des elastischen Wälzelementes
in jedem Hohlraum oder der die Aussparungen definierenden Teile
des ersten und des zweiten Elementes isoliert werden. Durch Betreiben
des Wälzelementes
(oder des ersten und zweiten Elementes) in Kompression anstatt unter
Scherbelastung wird die Verschleiß- und/oder Ausfallneigung
dieser Komponente reduziert und es kann ein breiterer Bereich von
Drehmomentschwankungen isoliert werden.
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Jede
Aussparung hat vorzugsweise eine Anschlagfläche, wobei die Anschlagflächen jedes
Hohlraums einander in einer Umfangsrichtung gegenüber liegen,
mit dem Wälzelement
dazwischen. So bewegen sich im Falle einer relativen Winkelverschiebung des
ersten und des zweiten Elementes in einer ersten Richtung die Anschlagflächen voneinander
weg, die geneigten Flächen
des Aussparungspaares bewegen sich über das Wälzelement, um es in Drehung
zu versetzen, und bewegen sich aufeinander zu, um die radiale Dimension
des genannten Hohlraums zu reduzieren (und um dadurch das Wälzelement
oder die Teile des ersten und des zweiten Elementes, die den Hohlraum
bilden, zu komprimieren), und im Falle einer relativen Winkelverschiebung
in der entgegengesetzten Richtung bewegen sich die Anschlagflächen aufeinander
zu und werden gegen das Wälzelement komprimiert,
ohne es zu drehen.
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Durch
die geneigten Aussparungen, jeweils mit einer Anschlagfläche, können Drehmomentschwankungen
isoliert werden, wenn das erste Element das zweite Element antreibt
und die relative Winkelverschiebung der Elemente in einer ersten Richtung
erfolgt. Dies geschieht beispielsweise dann, wenn eine Kurbelwelle
(die mit dem ersten Element verbunden ist) einen Starter-Alternator
(mit dem zweiten Element verbunden) antreibt. In dem Fall, dass
der Starter-Alternator die Kurbelwelle antreibt, treibt das zweite
Element das erste Element an und es gibt eine relative Winkelverschiebung
in der entgegengesetzten Richtung und das Antriebsdrehmoment wird
zwischen den beiden mit nur einer relativ geringen Kompression des
Wälzelementes
(oder des ersten und zweiten Elementes) übertragen.
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Die
Anschlagfläche
ist vorzugsweise bogenförmig
und hat einen Krümmungsradius,
der im Wesentlichen ähnlich
einem Krümmungsradius
des Wälzelementes
ist.
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Jede
Aussparung kann im Querschnitt asymmetrisch bogenförmig sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Wälzelement elastisch und wird
komprimiert, wenn eine Dimension des Hohlraums verringert wird.
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Die
Vorrichtung kann ferner ein Zwischenelement zwischen dem ersten
und dem zweiten Element umfassen, wobei das Zwischenelement einen
ersten Ring, der mit dem ersten Element verbunden ist, und einen
zweiten Ring umfasst, der mit dem zweiten Element verbunden ist,
wobei der Hohlraum durch gegenüberliegende
Aussparungen auf dem ersten und dem zweiten Ring definiert wird.
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Der
erste Ring und das erste Element liegen radial einwärts von
dem zweiten Ring und dem zweiten Element, wobei die radial äußere Fläche des
ersten Rings wenigstens eine der gegenüberliegenden Aussparungen und
die radial innere Fläche
des zweiten Rings wenigstens eine der gegenüberliegenden Aussparungen aufweist.
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Der
erste und der zweite Ring können
jeweils eine Mehrzahl der Aussparungen umfassen, die vorzugsweise
im gleichen Winkel voneinander beabstandet sind. Der erste und der
zweite Ring sind vorzugsweise im Wesentlichen ringförmig.
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Praktischerweise
ist ein Trägheitselement über ein
elastomeres Element mit dem ersten Element verbunden. Alternativ
kann ein Trägheitselement
in einem Gehäuse
angeordnet sein, das ein viskoses oder elastoviskoses Fluid enthält, wobei
das Gehäuse
mit dem ersten Element verbunden ist.
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Ein
Radiallager kann zwischen einem Rand des zweiten Elementes und dem
Trägheitselement vorgesehen
sein, und ein Axiallager ist vorzugsweise in einem axialen Spielraum
zwischen dem ersten und dem zweiten Element vorgesehen. Vorzugsweise kann
eine Radiallagerhülse
zwischen einem Nabenelement und einem axial verlaufenden Ring des
zweiten Elementes vorgesehen sein.
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Das
Wälzelement
kann zylinderförmig
sein und aus einem elastomeren Material bestehen.
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Das
Zwischenelement kann sich praktischerweise zwischen einem axial
verlaufenden Ring des ersten Elementes und einem axial verlaufenden
Ring des zweiten Elementes befinden.
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Es
wird nachfolgend, jedoch nur beispielhaft, eine spezifische Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Begleitzeichnungen
beschrieben: Dabei zeigt:
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1 eine
Frontansicht eines Zwischenelementes, das Teil der Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung ist; und
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2 eine
geschnittene Seitenansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
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Nun
mit Bezug auf die 1 und 2, die Vorrichtung 1 umfasst
konzentrische erste und zweite ringförmige Elemente 2, 3.
Das erste ringförmige Element 2 ist
für eine
Verbindung mit einer Drehantriebswelle (nicht dargestellt) ausgelegt,
z.B. mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.
Das zweite ringförmige
Element 3 ist für eine
Verbindung mit einer angetriebenen Komponente wie z.B. einem Lüfter oder
einer anderen Vorrichtung ausgelegt, so dass der Motor die angetriebene Vorrichtung
antreiben kann.
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Das
erste ringförmige
Element 2 umfasst eine Scheibe 4 mit einer mittleren Öffnung 5 zur
Aufnahme der Drehwelle (nicht dargestellt). Die Scheibe 4 hat
einen mittleren Abschnitt 6, der im Wesentlichen parallel
zur Rotationsachse der Antriebswelle verläuft, und an ihrer radial äußeren Peripherie
einen in axialer Richtung verlaufenden Ring 7. Auf der
radial inneren Fläche
ist der mittlere Abschnitt 6 an einem Ende eines Nabenelementes 8 befestigt.
Das Nabenelement 8 ist allgemein zylindrisch mit einem
radial nach außen
verlaufenden Flansch 9 gegenüber dem Ende, an dem er am
mittleren Abschnitt 6 befestigt ist. Der Flansch 9 verläuft radial über einen
Teil der axial äußeren Fläche des
zweiten ringförmigen
Elementes 3. Das Nabenelement 8 umfasst auch einen radial
inneren Ring 10 mit einer mittleren Öffnung 11 zur Aufnahme
der Antriebswelle (nicht dargestellt).
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Das
zweite ringförmige
Element 3 umfasst einen im Wesentlichen axial verlaufenden
peripheren Riemenscheibenrand 12 und einen konzentrischen radial
inneren Ring 13. Die radial äußere Fläche des Riemenscheibenrandes 12 hat
eine V-förmige
Aussparung 14, die so ausgelegt ist, dass sie einen Antriebsriemen
mit einer dazu passenden V-förmigen Aussparung
aufnimmt. Der Antriebsriemen dient zum Antreiben von Zusatzgeräten. Es
sind alternative Ausgestaltungen der Oberfläche des Riemenscheibenrandes
möglich,
wie z.B. Kettenräder
zur Aufnahme eines Kettenantriebs.
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Der
periphere Ring 7 des ersten ringförmigen Elementes 2 trägt auf seiner
radial äußeren Fläche ein
ringförmiges
Trägheitselement 15,
das mittels einer elastomeren Zwischenschicht 16 daran
befestigt ist. Diese Anordnung ist gut bekannt und dient zum Dämpfen von
Torsionsvibrationen der Antriebswelle. In einer alternativen Ausgestaltung
(nicht dargestellt) kann die elastomere Schicht 19 durch
ein viskoses oder elastikoviskoses Fluid ersetzt werden, das in
einem ringförmigen
Gehäuse
enthalten ist, in dem das Trägheitselement
angeordnet ist.
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Der
Riemenscheibenrand 12 des zweiten ringförmigen Elementes 3 verläuft über die
radial äußere Fläche des
Trägheitselementes 15 mit
einem radialen Spielraum 17. Ein reibungsarmes Lager 18, z.B.
aus PTFE- oder Nylonband, befindet sich in einem axialen Spielraum 19,
der zwischen der axial äußeren Fläche des
Trägheitselementes 15 und
der axial inneren Fläche
des zweiten ringförmigen
Elementes 3 definiert ist, um als axiales Führungslager zu
dienen. Die physikalischen Eigenschaften des Trägheitselementes 15,
der elastomeren Schicht 16 und des reibungsarmen Lagers 18 werden
je nach dem für
eine bestimmte Kombination aus Antriebswelle und angetriebenem Element
benötigten
Dämpfungsgrad
ausgewählt.
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Eine
zylindrische Lagerhülse 20 ist
konzentrisch zwischen dem Nabenelement 8 und dem inneren
Ring 13 des zweiten ringförmigen Elementes 3 angeordnet.
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Zwischen
dem ersten und dem zweiten ringförmigen
Element 2, 3 befindet sich ein Zwischenelement 21,
das den Antrieb vom ersten ringförmigen Element 2 auf
das zweite ringförmige
Element 3 oder umgekehrt überträgt. Das Zwischenelement 21 umfasst
einen äußeren Ring 22,
dessen radial äußere Fläche 23 an
der radial inneren Fläche
des peripheren Rings 7 des ersten ringförmigen Elementes 2 befestigt
ist, und einen inneren Ring 24, dessen radial innere Fläche 25 an
der radial äußeren Fläche des
inneren Rings 13 des zweiten ringförmigen Elementes 3 befestigt
ist. Das Verfahren zum Befestigen des äußeren und des inneren Rings 22, 24 kann
mit beliebigen praktischen Mitteln wie z.B. Schweißen oder
Verwendung eines geeigneten Klebstoffs erfolgen.
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Der äußere Ring 22 hat
eine Mehrzahl von axial verlaufenden parallelen bogenförmigen Aussparungen 26 auf
seiner radial inneren Fläche.
Jede Aussparung hat einen identischen asymmetrischen Querschnitt,
einen ersten Teil 27 mit einem konstanten Radius und einen
zweiten, relativ flachen Teil 28. Die radial äußere Fläche des
inneren Rings 24 hat ähnliche
Aussparungen 29 mit der entgegengesetzten Ausrichtung zum
ersten und zweiten Teil 30, 31. Fluchtende Paare
von Aussparungen 26, 29 definieren einen Hohlraum,
in dem ein Wälzelement 32 mit zu
dem der ersten Teile 27, 30 jeder Aussparung im Wesentlichen
identischem Radius angeordnet ist. In einer Ruheposition wird das
Wälzelement 32 im
ersten Teil 27, 30 jeder der Aussparungen 26, 29 aufgenommen.
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Die
Umfangsasymmetrie der Aussparungen 26, 29 ist
derart, dass, wenn ein Drehmoment aufgebracht wird, das den inneren
Ring 24 in Richtung von Pfeil A in Drehung versetzt, das
Wälzelement 32 gleichzeitig
entlang dem zweiten Teil 28, 31 jeder der Aussparungen 26, 29 rollt
und allmählich
komprimiert wird, bis zu einer Grenze, die durch die Form der Aussparung 26, 29 sowie
die Form und die elastischen Eigenschaften des Wälzelementes 32 bestimmt
wird. Wenn Drehmoment in Richtung von Pfeil A auf den äußeren Ring 22 aufgebracht
wird, dann wird eine signifikante Winkelverschiebung des äußeren Rings 22 relativ
zum inneren Ring 24 durch die Anwesenheit des Wälzelementes 32 verhütet, das geringfügig komprimiert
wird, aber nicht rollen kann. Auf diese Weise können Drehmomentschwankungen über einen
erheblichen Bereich isoliert werden, wenn der innere Ring 24 in
Richtung von Pfeil A gedreht wird (z.B. wenn die Kurbelwelle einen
Starter-Alternator und andere Zusatzkomponenten über den Riemen antreibt). Alternativ
wird, wenn der äußere Ring 22 in
Richtung von Pfeil A gedreht wird (z.B. dann, wenn ein Starter-Alternator
die Kurbelwelle antreibt), nur ein geringer Betrag an relativer
Winkelverschiebung des ersten und des zweiten ringförmigen Elementes
aufgenommen, während
das Wälzelement komprimiert
wird, und danach besteht eine feste Verbindung zwischen dem ersten
und dem zweiten Element, so dass das Antriebsdrehmoment direkt auf
die Kurbelwelle übertragen
wird.
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Man
wird verstehen, dass zahlreiche Modifikationen an den oben beschriebenen
Designs vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung gemäß Definition in den Ansprüchen abzuweichen.
So entsteht z.B. durch die Verwendung eines Zwischenelementes mit
asymmetrischen bogenförmigen
Aussparungen wie oben beschrieben eine Vorrichtung, die Drehmoment
hauptsächlich
in einer Winkelverschiebungsrotationsrichtung der ringförmigen Elemente
isoliert. Wenn eine Isolation in beiden Richtungen benötigt wird,
dann wird/werden die Form der Aussparung oder die elastischen Eigenschaften
des Wälzelementes
geändert.
Damit kann die Vorrichtung so ausgelegt werden, dass sie Drehmomentschwankungen
in einer relativen Winkelverschiebungsrichtung der ringförmigen Elemente über einen
größeren Bereich
isoliert als in der entgegengesetzten Richtung. Alternativ können, wenn
herkömmliche
Isolationseigenschaften gewünscht
werden, so dass eine Isolation in beiden Richtungen gleichermaßen erfolgt,
der äußere und
der innere Ring des Zwischenelementes mit symmetrisch bogenförmigen Aussparungen
verwendet werden, ohne dass weitere Änderungen an den anderen Komponenten der
Vorrichtung nötig
wären.
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Welche
Form von Isolationscharakteristiken auch erforderlich ist, die Form
der Aussparungen am inneren und äußeren Ring
des Zwischenelementes sollte so sein, dass die Wälzelemente genügend rotieren
können,
um Drehmomentschwankungen zu isolieren, so dass sie nicht weiter
auf eine Riemenscheibe und die angetriebenen Komponenten übertragen
werden. Folglich brauchen die Aussparungen keinen bogenförmigen Querschnitt
zu haben; der bogenförmige
Rand jeder Aussparung könnte
durch einen linear geneigten Rand ersetzt werden. Darüber hinaus
sollte das Material, aus dem das Wälzelement besteht, so gewählt werden,
dass das Wälzelement in
einer allgemein radialen Richtung komprimiert werden kann, so dass
eine Reihe von Drehmomentschwankungen isoliert werden kann. Man
wird verstehen, dass in einem modifizierten Design der innere und
der äußere Ring
weggelassen werden können und
dass die Aussparungen auf der radial inneren und äußeren Fläche der
ringförmigen
Elemente definiert sein können.
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Das
erste ringförmige
Element kann mit einem beliebigen geeigneten Mittel wie z.B. Keilwelle, Keilnut
oder Schrumpfverbindung an der Drehantriebswelle befestigt werden.
Die Anwesenheit des Trägheitselementes
ist fakultativ und die reibungsarmen Lager können aus einem beliebigen Material hergestellt
sein.
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Ferner
können
der äußere und
der innere Ring des Zwischenelementes und der Wälzelemente aus einem beliebigen
Material mit physikalischen Eigenschaften hergestellt sein, die
für die
Aufgabe geeignet sind, für
die die Vorrichtung gedacht ist. Es ist zu verstehen, dass anstatt
Wälzelementen
mit elastischen Eigenschaften auch innere und äußere Ringe aus einem Material
mit elastischen Eigenschaften verwendet werden könnten. Wenn z.B. der äußere und
der innere Ring des Zwischenelementes aus Stahl wären, dann
wäre ein
geeignetes Material für die
Wälzelemente
Gummi. Alternativ wäre,
wenn der äußere und
der innere Ring des Zwischenelementes aus Gummi wären, ein
geeignetes Material für
die Wälzelemente
Stahl.