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Title:
TORSION SPRING ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/202185
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a torsion spring element (1), comprising at least two spring element mounts (2), which are arranged at an axial distance from each other and which can be rotated in relation to each other, and at least one elastic spring element (3), which is arranged at a radial distance from the axis of rotation D and which connects the spring element mounts (2), wherein the at least one elastic spring element (3) is extended and experiences an axial force having an axial force vector X and a secant force having a secant force vector E in the event of a relative rotational deflection B of the spring element mounts (2) from the zero position A, wherein the direction of the secant force vector E depends on the deflection B from the zero position A and the secant force applies a restoring torque M to the spring element mounts (2) by means of a lever arm H extending perpendicularly from the secant force vector E to the axis of rotation D.

Inventors:
SCHMITT, Joachim (Regimentstr. 8, Ingolstadt, 85051, DE)
KESSELS, Uwe (Marie-Juchacz-Strasse 11B, Eschweiler, 52249, DE)
Application Number:
EP2014/001495
Publication Date:
December 24, 2014
Filing Date:
June 03, 2014
Export Citation:
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Assignee:
AUDI AG (D- Ingolstadt, 85045, DE)
International Classes:
B60G11/18; F16F3/02; F16F15/04
Foreign References:
US2884240A1959-04-28
US4214458A1980-07-29
US20080274816A12008-11-06
US20130074620A12013-03-28
US20080023896A12008-01-31
DE10026119A12001-05-17
CN1749593A2006-03-22
EP0762012A11997-03-12
EP2423012A22012-02-29
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Claims:
Patentansprüche

1. Torsionsfederelement (1) mit mindestens zwei axial voneinander beabstandet angeordneten und relativ zueinander verdrehbaren Federelementaufnahmen (2), sowie mindestens einem radial von der Drehachse (D) beabstandeten und die Federelementaufnahmen (2) verbindenden elastischen Federelement (3), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elastische Federelement (3), bei einer relativen rotatorischen Auslenkung (B) der Federelementaufnahmen (2) aus der Nulllage (A) heraus, gelängt wird und dabei eine Axialkraft mit einem Axialkraftvektor (X) und eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor (E) erfährt, wobei die Richtung des Sekantenkraftvektors (E) von der Auslenkung (B) aus der Nulllage (A) abhängt und die Sekanten kraft, mittels einem senkrecht von dem Sekantenkraftvektor (E) zur Drehachse (D) verlaufenden Hebelarm (H), ein Rückstellmoment (M) auf die Federelementaufnahmen (2) ausübt.

2. Torsionsfederelement (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Federelementaufnahmen (2) über eine die Drehachse (D) bildende Welle (4) konstant zueinander beabstandet sind.

3. Torsionsfederelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) aus einer Hohlwelle (4a) mit einer darin drehbar gelagerten Vollwelle (4b) besteht.

4. Torsionsfederelement (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Federelementaufnahmen (2) über ein die Federelementauf- nahmen (2) drehbar lagerndes Gehäuse (6) konstant zueinander beabstandet sind.

5. Torsionsfederelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelementaufnahmen (2) scheibenförmig ausgebildet sind.

6. Torsionsfederelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelementaufnahmen (2) jeweils korrespondierende Zapfen (5) aufweisen, die von dem mindestens einen Federelement (3) umschlungen werden.

7. Torsionsfederelement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zapfen (5) über eine radiale Mantelfläche der Federelementaufnahmen (2) verteilt angeordnet sind.

8. Torsionsfederelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (3) in der Nulllage (A) eine definierte Axialkraft auf die damit verbundenen Federelementaufnahmen (2) ausübt.

9. Torsionsfederelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Auslenkung (B) der Federelementaufnahmen (2) aus der Nulllage (A) die entstehende Axialkraft in dem mindestens einen Federelement (3) zu einer elastischen Verbiegung mindestens einer der damit verbundenen Federelementaufnahmen (2) führt.

10. Torsionsfederelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (3) aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff besteht.

Description:
Beschreibung

Torsionsfederelement

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Torsionsfederelement mit mindestens zwei axial voneinander beabstandet angeordneten und relativ zueinander verdrehbaren Federelementaufnahmen, sowie mindestens einem radial von der Drehachse beabstandeten und die Federelementaufnahmen verbindenden elastischen Federelement.

Derartige Torsionsfederelemente erlauben eine relative Schwenkbewegung der Federelementaufnahmen und der entsprechend daran befestigten Bauteile um die gemeinsame Drehachse. Eine mögliche Anwendung für ein Torsionsfederelement der eingangs genannten Art findet sich im Automobilbau im Bereich des Fahrwerks eines Fahrzeugs. Hier gilt es beispielsweise die von der Fahrbahn über die Räder eingebrachten Schwingungsanregungen aufzunehmen.

Die DE 100 26 119 A1 offenbart ein elastisches Torsionsfederelement, das ein erstes in sich starres Anschlussteil, ein zweites in sich starres Anschlussteil und mindestens drei endseitig an den beiden Anschlussteilen gelagerte und zwischen diesen verlaufende formveränderliche Verbindungsteile aufweist, wobei die Verbindungsteile die Torsionskräfte und/oder -bewegungen um eine Hauptachse des Torsionsfederelements zwischen den Anschlussteilen vermitteln. Die Verbindungsteile sind rotationssymmetrisch zu der Hauptachse angeordnet und weisen, zumindest in einer Mehrzahl von Funktionsstellungen des Torsionsfederelements, zwischen den beiden Anschlussteilen einen helikal um die Hauptachse herum gekrümmten Verlauf mit veränderlicher Steigung auf. Die helikale Ausbildung der Verbindungsteile bedingt je- doch, dass das Konstruktionselement nur in einer Drehrichtung wirksam ist und in der anderen Richtung einen erheblichen Leerlauf aufweist, bis die Verbindungsteile wirksam werden.

Die CN 1749593 A zeigt ein gattungsgemäßes Torsionsfederlement mit zwei axial beabstandet voneinander angeordneten und relativ zueinander verdrehbaren, scheibenförmigen Federelementaufnahmen, sowie mehreren radial von der Drehachse beabstandeten und die Federelementaufnahmen verbindenden elastischen Federelementen. Die Federelemente sind als Streifen aus elastischem Material ausgebildet und fest in den Federelementaufnahmen gelagert. Bei einer relativen Verdrehung der Federelementaufnahmen um die gemeinsame Drehachse werden die Federelemente entsprechend verbogen, wodurch eine Rückstellkraft auf die Federelementaufnahmen ausgeübt wird. Hierbei erfolgt jedoch eine Verkürzung der Gesamtlänge des Torsionsfederelements.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine alternative Ausführungsform eines Torsionsfederelements bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Torsionsfederelement hat mindestens zwei axial voneinander beabstandet angeordnete und relativ zueinander verdrehbare Federelementaufnahmen, sowie mindestens ein radial von der Drehachse beabstandetes und die Federelementaufnahmen verbindendes elastisches Federelement, wobei das mindestens eine elastische Federelement, bei einer relativen rotatorischen Auslenkung der Federelementaufnahmen aus der Nulllage heraus, gelängt wird und dabei eine Axialkraft mit einem Axialkraftvektor und eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor erfährt, wobei die Richtung des Sekantenkraftvektors von der Auslenkung aus der Nulllage abhängt und die Sekantenkraft, mittels einem senkrecht von dem Sekantenkraftvektor zur Drehachse verlaufenden Hebelarm, ein Rückstellmoment auf die Feder- elementaufnähmen ausübt.

Das Torsionsfederelement spricht dabei bei einer Auslenkung aus der Nulllage heraus in beiden Richtungen vorzugsweise gleichmäßig mit einem zur Nulllage gerichteten Rückstellmoment an. Das Rückstellmoment wird dabei nicht durch eine Biegebeanspruchung der Federelemente erzeugt, sondern durch deren Längung, wodurch sich eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor ergibt. Die Sekantenkraft erzeugt mittels des senkrecht auf dem Sekantenkraftvektor stehenden und zur Drehachse gerichteten Hebelarm dieses Rückstellmoment. Wichtig ist, dass die Federelemente elastisch sind, also nach Wegfall der angelegten Kraft wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren, da auf diese Art und Weise das Rückstellmoment auf die Federelementaufnahmen erzeugt wird. Es wäre auch denkbar, dass die Federelemente in Nulllage etwas„durchhängen" und das Rückstellmoment erst bei einem gewissen Leerweg anliegt. Derartige Ausgestaltungen sollen hiermit auch umfasst sein. Zur besseren Verdeutlichung der wirkenden Kräfte kann das Bezugssystem in die von einer der Federelementaufnahmen definierte Ebene gelegt werden, so dass diese Federelementaufnahme in der Betrachtung quasistatisch ist und sich nur die verbleibenden Federelementaufnahmen relativ zu dieser verdrehen. Durch Variation von Länge, Dicke, Material, Anzahl und radialer Abstand der Federelemente zur Drehachse lässt sich eine gewünschte Federkennlinie des Torsionsfederelements einstellen. Auch die Hintereinanderschaltung von mehreren Federelementaufnahmen mit entsprechender Verbindung durch Federelemente gewährt eine Einflussnahme auf die Federkennlinie.

In einer bevorzugten Ausführung sind die Federelementaufnahmen über eine die Drehachse bildende Welle konstant zueinander beabstandet. Die Welle ist vorzugsweise mit entsprechenden Lagern zur Verbesserung der Drehbarkeit zu versehen, so dass das Verhalten des Torsionsfederelements beim Einbringen eines Drehmoments ruckfrei geschieht. In einer besonders bevorzugten Ausführung besteht die Welle aus einer Hohlwelle mit einer darin drehbar gelagerten Vollwelle. Eine konstante Beabstandung unterstützt das durch die Längung der Federelemente erzeugte Rückstellmoment.

In einer bevorzugten Ausführung sind die Federelementaufnahmen über ein die Federelementaufnahmen drehbar lagerndes Gehäuse konstant zueinander beabstandet. Das Gehäuse definiert dadurch indirekt auch die Drehachse der Federelementaufnahmen und umgreift diese schützend zumindest teilweise. Damit lässt sich zum Einen die konstante Beabstandung der Federelementaufnahmen und zum Anderen der Schutz der Komponenten miteinander verbinden. Das Gehäuse ist dazu vorzugsweise hohlzylindrisch mit zwei beiderseits (Grund- und Deckfläche) angeordneten Ausschnitten zur Lagerung der Federelementaufnahmen aufgebaut und besteht zur besseren Fügbarkeit aus zwei schalenförmigen Gehäusehälften.

In einer bevorzugten Ausführung sind die Federelementaufnahmen scheibenförmig ausgebildet. Scheibenförmige Aufnahmen bieten Vorteile bei der Bauraumausnutzung. Über den Durchmesser der Scheiben kann die Länge des Hebelarms zu den Aufnahmepunkten der Federelemente gesteuert werden, was sich wiederum auf das Rückstellmoment auswirkt. Jedoch sind auch andere topologieoptimierte Formen (z. B. Vielecke) denkbar.

In einer bevorzugten Ausführung weisen die Federelementaufnahmen jeweils korrespondierende Zapfen auf, die von dem mindestens einen Federelement umschlungen werden. Die Zapfen können einstückig mit den Federelementaufnahmen ausgebildet sein oder mit diesen gefügt (verschraubt, gepresst) werden. Die konkrete Gestalt der Zapfen soll die Kraftein leitung in die Federelemente unterstützen und insbesondere unerwünschte Lastzustände vermeiden. In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Zapfen über eine radiale Mantelfläche der Federelementaufnahmen verteilt angeordnet. In einer bevorzugten Ausführung übt das mindestens eine Federelement in der Nulllage eine definierte Axialkraft auf die damit verbundenen Federelementaufnahmen aus. Durch diese Vorspannung lässt sich das Ansprechverhalten des Torsionsfederelements gezielt beeinflussen.

In einer bevorzugten Ausführung führt die entstehende Axialkraft bei einer Auslenkung der Federelementaufnahmen aus der Nulllage in dem mindestens einen Federelement zu einer elastischen Verbiegung mindestens einer der damit verbundenen Federelementaufnahmen. Durch die zusätzliche elastische Verbiegung der Federelementaufnahmen aufeinander zu kann die Federkennlinie des gesamten Torsionsfederelements weiter beeinflusst werden.

In einer bevorzugten Ausführung besteht das mindestens eine Federelement aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff. Glasfasern haben den Vorteil, dass sie kostengünstig sind, eine relativ hohe Bruchdehnung aufweisen, nahezu keine Feuchtigkeit aufnehmen, sowie einen geringen E-Modul bei hoher Festigkeit und geringer Kriechneigung aufweisen. Alternativ lassen sich auch andere Fasertypen wie Kohlefasern, Aramidfasern oder Naturfasern verwenden. Die genannten Fasertypen können zur Verlängerung der Lebensdauer in eine Matrix aus einem Harz eingebettet sein. Eine weitere Möglichkeit bietet die Verwendung von Federstahlbändern oder Elastomeren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Darin zeigen:

Fig. 1a eine isometrische Ansicht eines Torsionsfederelements in Nulllage;

Fig. 1 b eine isometrische Ansicht eines Torsionsfederelements mit einer Auslenkung aus der Nulllage; Fig. 2a eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Torsionsfederelements;

Fig. 2b eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Torsionsfederelements;

Fig. 3a eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Torsionsfederelements;

Fig. 3b eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Torsionsfederelements;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines Torsionsfederelements;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der wirkenden Kräfte in einer Vorderansicht;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der wirkenden Kräfte in einer Draufsicht.

Gemäß der Fig. 1a hat ein Torsionsfederelement 1 zwei Federelementaufnahmen 2, die über eine Welle 4 konstant axial voneinander beabstandet sind. Die Welle 4 bildet eine Drehachse D, um die sich die beiden Federelementaufnahmen 2 bei Einwirken eines Drehmoments relativ zueinander verdrehen können. Jede der beiden Federelementaufnahmen 2 weist mehrere axial von der Mantelfläche abstehende Zapfen 5 auf, die derart von elastischen Federelementen 3 umschlungen sind, dass die Zapfen 5 der gegenüberliegenden Federelementaufnahmen 2 jeweils paarweise miteinander verbunden werden. Über die Federelementaufnahmen 2 können Drehmomente der damit verbindbaren Bauteile in das Torsionsfederelement 1 einge- leitet werden. In Fig. 1a befindet sich das Torsionsfederelement 1 in Nulllage, während in Fig. 1b das Torsionsfederelement 1 eine Auslenkung aus der Nulllage aufweist. Dabei sind die Federelemente 3 durch die einwirkenden Kräfte gelängt und üben deshalb ein Rückstellmoment in Richtung Nulllage auf die Federelementaufnahmen 2 aus.

Gemäß den Figuren 2a und 2b hat eine erste Ausführungsform eines Torsionsfederelements 1 zwei Federelementaufnahmen 2, die über eine Welle 4 konstant axial voneinander beabstandet sind. Die Welle 4 bildet eine Drehachse D, um die sich die beiden Federelementaufnahmen 2 bei Einwirken eines Drehmoments relativ zueinander verdrehen können. Die Welle 4 besteht aus einer Hohlwelle 4a, die mit einer der beiden Federelementaufnahmen 2 drehfest verbunden ist, und einer Vollwelle 4b, die mit der anderen Federelementaufnahme 2 drehfest verbunden ist. Die Vollwelle 4b ist in der Hohlwelle 4a drehbar gelagert. Jede der beiden Federelementaufnahmen 2 weist mehrere axial von der Mantelfläche abstehende Zapfen 5 auf, die derart von elastischen Federelementen 3 umschlungen sind, dass die Zapfen 5 der gegenüberliegenden Federelementaufnahmen 2 jeweils paarweise miteinander verbunden werden. Die Federelemente 3 halten durch die axiale Spannung auch den Verbund aus Hohlwelle 4a und Vollwelle 4b zusammen. Über die Federelementaufnahmen 2 können Drehmomente der damit verbindbaren Bauteile in das Torsionsfederelement 1 eingeleitet werden.

Gemäß den Figuren 3a und 3b hat eine zweite Ausführungsform eines Torsionsfederelements 1 zwei Federelementaufnahmen 2, die über eine Welle 4 konstant axial voneinander beabstandet sind. Die Welle 4 bildet eine Drehachse D, um die sich die beiden Federelementaufnahmen 2 bei Einwirken eines Drehmoments relativ zueinander verdrehen können. Die Welle 4, die drehfest mit einer der Federelementaufnahmen 2 verbunden ist, steckt mit einem abgesetzten Endstück drehbar in einer entsprechenden Ausnehmung 4c der anderen Federelementaufnahme 2. Jede der beiden Federelementaufnahmen 2 weist mehrere axial von der Mantelfläche abstehende Zapfen 5 auf, die derart von elastischen Federelementen 3 umschlungen sind, dass die Zapfen 5 der gegenüberliegenden Federelementaufnahmen 2 jeweils paarweise miteinander verbunden werden. Die Federelemente 3 halten durch die axiale Spannung auch den Verbund aus Welle 4 und Ausnehmung 4c zusammen. Über die Federelementaufnahmen 2 können Drehmomente der damit verbindbaren Bauteile in das Torsionsfederelement 1 eingeleitet werden.

Gemäß der Fig. 4 hat eine dritte Ausführungsform eines Torsionsfederelements 1 zwei Federelementaufnahmen 2, die über ein Gehäuse 6 konstant axial voneinander beabstandet sind. Das Gehäuse 6 definiert dadurch eine Drehachse D, um die sich die beiden Federelementaufnahmen 2 bei Einwirken eines Drehmoments relativ zueinander verdrehen können. Das Gehäuse 6 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und wird vorzugsweise aus zwei Gehäusehälften zusammengefügt, so dass das Gehäuse 6 die Federelementaufnahmen 2 in entsprechenden Aussparungen drehbar lagern kann und diese zumindest teilweise umschließt. Jede der beiden Federeiement- aufnahmen 2 weist mehrere axial von der Mantelfläche abstehende Zapfen 5 auf, die derart von elastischen Federelementen 3 umschlungen sind, dass die Zapfen 5 der gegenüberliegenden Federelementaufnahmen 2 jeweils paarweise miteinander verbunden werden. Über die Federelementaufnahmen 2 können Drehmomente der damit verbindbaren Bauteile in das Torsionsfederelement 1 eingeleitet werden.

Fig. 5 zeigt die wirkenden Kräfte in einem der Federelemente in Frontalansicht auf das (nicht dargestellte) Torsionsfederelement, wobei als Bezugssystem eine Federelementaufnahme 2 gewählt und die andere Federelementaufnahme 2 (beide nicht dargestellt) relativ dazu um einen radialen Verdrehwinkel φ von der Nulllage A in die Auslenkung B ausgelenkt wurde. Der Radius R ist der Abstand vom Anbindungspunkt des Federelements an der Federelementaufnahme und der Drehachse D. Der Radius R ist in der Nulllage A und der Auslenkung B konstant. In dem Federelement wirkt bei Auslenkung B eine Sekantenkraft mit einem Sekantenkraftvektor E. Der Hebelarm H verbindet die Drehachse D mit dem Sekantenkraftvektor E, wobei der Hebelarm H senkrecht auf dem Sekantenkraftvektor E steht. Die Sekantenkraft übt mittels des von dem Sekantenkraftvektor E definierten Hebelarms D ein Rückstellmoment M auf die Federelementaufnahmen aus, was diese stets wieder in Richtung Nulllage A zwingt. Es gelten die folgenden Zusammenhänge:

Die Sekantenkraft im Sekantenkraftvektor E kann wie folgt bestimmt werden:

Fig. 6 zeigt die wirkenden Kräfte in einem der Federelemente in Draufsicht auf das (nicht dargestellte) Torsionsfederelement, wobei als Bezugssystem eine Federelementaufnahme gewählt und die andere Federelementaufnahme (beide nicht dargestellt) relativ dazu um einen axialen Verdrehwinkel θ von der Nulllage A in die Auslenkung B ausgelenkt wurde. Der Axialkraftvek- tor X und der Sekantenkraftvektor E spannen in dem resultierenden Kräftedreieck den Federelementkraftvektor L auf. Die gegenseitigen Abhängigkeiten lassen sich mit folgenden Formeln berechnen, wobei R als Radius den Abstand des Federelements zur Drehachse D definiert (siehe Fig. 5):

Die Dehnung des Federelements kann über folgende Formeln ermittelt werden:

Liste der Bezugszeichen:

A Nulllage

B Auslenkung

D Drehachse

E Sekantenkraftvektor

H Hebelarm

L Federelementkraftvektor

M Rückstellmoment

R Radius

X Axialkraftvektor φ radialer Verdrehwinkel axialer Verdrehwinkel

1 Torsionsfederelement

2 Federelementaufnahme

3 Federelement

4 Welle

4a Hohlwelle

4b Vollwelle

5 Zapfen

6 Gehäuse




 
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