DE69118608T2

DE69118608T2 - Verfahren zur Herstellung und zum Spannen von Federn aus Faserverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE69118608T2
Application number: DE1991618608
Authority: DE
Inventors: Dale Arden Stretch
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2011-07-13
Also published as: EP0469364A2; EP0469364A3; EP0469364B1; DE69118608D1; JPH04248038A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kompositfeder für einen Torsionsvibrationsdämpfungsmechanismus. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf solche Kompositfedern, die in einer Richtung beansprucht werden.

Hintergrund der Erfindung

Torsionsvibrationsdämpfungsmechanismen sind seit langem verwendet worden, um die schädlichen Effekte von Torsionsvibrationen oder schwankenden Drehmomenten in Fahrzeugantriebssträngen zu reduzieren. Solche Torsionsvibrationen oder schwankende Drehmomente, auf die im Folgenden als Torsionsstöße (torsionals) Bezug genommen wird, rühren primär von Motorleistungspulsen und Drehmomentspitzen her und von abrupten Veränderungen des Antriebsstrangmomentes primär aufgrund von schneller Motor beschleunigung/-verzögerung und Getriebeübersetzungsveränderungen.
Solche Mechanismen verwenden gewöhnlich eine Feder oder Federn um Torsionsstöße abzuschwächen und übertragen positives und negatives Moment zwischen dem Fahrzeugmotor und den Rädern, und setzen eine Dämpfungsanordnung ein um die Rate bzw. Geschwindigkeit der Federbiegung zu steuern. Beispiele solcher Mechanismen sind mit Bezug auf die US-Patente 4.874.074 und 4.690.256 und die französische Patentanmeldung 2.611.013 zu sehen.
Die Mechanismen in den US-Dokumenten setzen jeweils ein zusammenarbeitendes Paar von spiralförmig bzw. schraubenförmig gewundenen Federn ein, die aus Stahl geformt sind; diese Federn sind konstruiert um einer Biegung von 40 oder mehr Grad zu widerstehen, biegen sich radial nach innen und außen ansprechend auf steigendes positives und negatives Moment und sind symmetrisch ausbalanciert, wenn sie gepaart sind.
Die Mechanismen im französischen Patentdokument, das den Stand der Technik zeigt, der durch den Oberbegriff des Anspruches 1 definiert wird, setzt eine einzelne schraubenförmige gewundene Feder ein, die aus einem Kornpositmaterial geformt ist, das eine Vielzahl von Lagen von verstärkenden Filamenten bzw. Fasern aufweist, die miteinander durch ein Plastikmaterial gebunden sind; diese Feder besitzt eine unbekannte Biegekonstruktionsgrenze, biegt sich radial nach innen und außen ansprechend auf ansteigendes positives und negatives Drehmoment und ist nicht für sich symmetrisch balanciert.
Die schraubenförmig gewundenen Stahlfedern im Mechanismus der US Patent Dokumente haben den Nachteil, daß sie die Trägheit des Dämpfungsmechanismuses erhöhen. Die Kompositfeder im Mechanismus des französischen Patentdokumentes besitzt den Nachteil, daß sie für sich symmetrisch unausgeglichen ist, schwierig in einem Dämpfungsmechanismus zur Biegung in nur einer Richtung zu instal lieren ist, und zu Delaminierungsversagen der Verstärkungsfilamente neigt, und zwar auf Grund des Biegens in beiden Richtungen.
Weiter wird Augenmerk auf die DE-OS-2716233 gerichtet, die einen Vibrationsdämpfungsmechanismus für niedrige Resonanzfrequenzen zeigt. Der Mechanismus wird als eine Basis für Anordnungen verwendet, die von externen mechanischen Vibrationen isoliert werden müssen. Der Mechanismus weist C-förmige Federn auf, die aus einem Plastikmaterial hergestellt sind mit nicht-linearem Biegeansprechen, einer hohen mechanischen Hysterese und geringer plastischer bzw. bleibender Verformung.
Die vorliegende Erfindung sieht somit ein Verfahren vor zum Verbessern des Lebenslaufes bzw. der Lebensdauer einer Momentübertragungsfeder nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Formen von C-förmigen Kompositfedern nach den Ansprüchen 6 bis 8. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kompositfeder vorzusehen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Feder in einer Richtung zu beanspruchen bzw. zu spannen um die Federlebensdauer zu verbessern.
Gemäß weiterer Aspekte der Erfindung wird die Feder aus einem geschlossenen Ring gebildet und zwar mit einem kleinen Bogenteil, der daraus entfernt wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Der Torsionsvibrationsdämpfungsmechanismus der vorliegenden Erfindung ist in der Begleitzeichnung gezeigt, in der die Figuren folgendes darstellen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Motorfahrzeugsantriebsstrangs;
Figur 2 eine detaillierte Schnittansicht des Torsionsvibrationsdämpfungsmechanismuses und zwar gesehen entlang der Linie 2-2 der Figur 3;
Figur 3 eine detaillierte Reliefansicht eines Teils des Mechanismuses, und zwar gesehen in der Richtung des Pfeiles 3 der Figur 2;
Die Figuren 4 und 5 perspektivische Ansichten der Teile in dem Mechanismuses;
Figur 6 eine Schnittansicht einer Nabenanordnung, und zwar gesehen entlang der Linie 6-6 der Figur 2.
Die Figuren 7 und 8 jeweils perspektivische Ansichten eines Ringes und eines Zylinders aus Kompositmaterial, bevor sie zu C-förmigen Federn gemacht werden; und Figur 9 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils von einer der C-förmigen Federn, die Lagen von Verstärkungsfilamenten bzw. -fasern veranschaulicht, die aus einer Plastikmaterialmatrix hervor stehen.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Der Motorfahrzeugsantriebstrang, der in Figur 1 schematisch zu sehen ist, weist einen Primärantrieb 10 20 und ein Getriebe 12 auf, und zwar mit einer Ausgangswelle 14, die treibend mit einer Last verbunden ist, wie beispielsweise mit dem Boden in Eingriff stehenden Rädern 16, und zwar über die Differentialgetriebeanordnung 18 für Hinter- und/oder Vorderachsen eines Fahrzeugs. Der Primärantrieb 10 ist vorzugsweise von der Verbrennungsmotorbauart, kann jedoch von irgendeiner Bauart von Leistungsantreib bzw. Leistungserzeugungsvorrichtung sein, die Momentcharakteristiken bzw. Momentenkennlinien besitzt, die durch einen Torsionsvibrationsdämpfungsmechanismus verbessert werden. Das Getriebe weist ein Gehäuse 20 auf, das eine Vielzahl von nicht gezeigten Übersetzungszahnrädern mit konstantem Eingriffsverhältnis enthält oder Übersetzungsänderungsmechanismen, die von einer Getriebeeingangswelle oder einem Getriebeeingangsantrieb 22 angetrieben werden, der teilweise in Figur 2 gezeigt ist. Wohlbekannte Übersetzungsveränderungsvorrichtungen oder -kupplungen innerhalb des Getriebes werden eingesetzt um selektiv bzw. wahlweise (das heißt manuel oder automatisch) das Getriebe in die Neutralposition zu setzen, in der die Eingangswelle nicht mit der Last verbunden ist, oder in In-Eingriff-Positionen bzw. Schaltpositionen, in denen die Eingangswelle mit einer Last verbunden ist, wie beispielsweise den Rädern 16.
In den Figuren 2 bis 6 und insbesondere in den Figuren 2 und 3 ist eine Hauptkupplungsplattenanordnung 26 veranschaulicht, die zur Drehung um die Achse A der Welle 22 angeordnet ist, und in einer Richtung, die durch den Pfeil B in Figur 3 angezeigt ist, und als die Richtung von positivem Moment genommen bzw. angenommen wird. Die Kupplungsplattenanordnung weist einen ringförmigen Reibungsring 28 auf, und zwar in Antriebsverbindung mit der Welle 22 über einen Torsionsvibrationsdämpfungsmechanismus 30, der radial zwischen dem Reibring und der Welle 22 positioniert ist. Der Reibring weist entgegenweisende Reiboberflächen 28a, 28b auf, die reibungsmäßig bzw. reibend mit einer nicht gezeigten Motorausgangswelle verbunden sind und zwar ansprechend auf selektive bzw. wahlweise Axialbewegung einer Druckplatte 32 zu einem Schwungrad 34 hin, das an einer Motorausgangswelle befestigt ist, und zwar in bekannter Weise durch teilweise gezeigte Bolzen bzw. Schrauben 36. Die Druckplatte wird federnd in Eingriff gedrückt, und zwar durch eine Diaphragma- bzw. Membran- bzw. Scheibenfeder 38, wenn ein schematisch veranschaulichtes Auswurf- bzw. Ausrücklager 40 in der Position in durchgezogener Linie ist, und ist außer Eingriff, wenn das Auswurflager in der Position in gestrichelter Linie ist.
Der Torsionsvibrationsdämpfungsmechanismus 30 weist ein Paar von C-förmigen Federn 41, 42 auf zum Dämpfen von Torsionsstößen und zum Übertragen von Antriebsstrangmoment, eine Nabenanordnung 44, ein Trage- bzw. Unterstützungsglied 46 und eine viskose Dämpfungsanordnung 48. Andere Dämpfungsanordnungen als die viskose Scherbauart, die hierin offenbart ist, können eingesetzt werden, beispielsweise kann der Schaufeldämpfer des zuvor erwähnten US-Patentes 4.690.256 eingesetzt werden. Die Nabenanordnung 44 ist ählich der Nabenanordnung im zuvor erwähnten US-Patent 4.874;074.
Die Anordnung weist äußere und innere Nabenglieder 50, 52 auf und, wie in Figur 6 zu sehen, zwei Leerlaufrasselfedern 54. Die Nabenglieder und Federn definieren zusammen eine Nabenleerlaufrasselanordnung. Das äußere Glied 50 besitzt einen in etwa Z-förmigen Querschnitt mit einer Innenzylinderoberfläche, die auf einer Außenzylinderoberfläche des inneren Nabengliedes 52 gelagert ist, und zwar mittels eines zylindrischen Teils eines Lagers 56. Relative Axialbewegung der Nabenglieder wird durch eine Schubscheibe 57 verhindert, die zwischen einem sich radial erstreckenden Teil des Lagers 56 und einem Schnapp-Ring bzw. Sicherungsring sandwichartig aufgenommen wird, der in einer Nut des Nabengliedes 50 gesichert ist. Das innere Nabenglied 52 ist gleitend mit der Welle 22 durch einen Keil verbunden. Der Leerlaufrasselteil der Anordnung besitzt eine Vielzahl von internen Keilzähnen 50a und zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Aus nehmungen 50B, die durch die Nabe 50 definiert sind, eine gleiche Anzahl von externen Keilzähnen 52a, die lose in den Zähnen 50A aufgenommen werden und zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Ausnehmungen 52b, die mit Ausnehmungen 50B zusammen passen, und die Federn 54 zum Bekämpfen des freien Spiels zwischen den Zähnen 50A, 52a. Die Federn 54 sind konstruiert, um eine Kraft vorzusehen, die ausreichend ist, um federnd die Nabenglieder zu verbinden, wenn das Getriebe in einer Neutralposition ist, das heißt, wenn die Welle 22 nicht mit einer Last verbunden ist. Daher sind die Federn 54 von relativ niedriger Rate oder Steifigkeit verglichen mit den Federn 41, 42, die konstruiert sind, um federnd im Wesentlichen das maximale normale Antriebsstrangmoment zu übertragen. Die Nabenanordnung 44 weist weiter ein Plattenglied 71 auf, das am äußeren Nabenglied 50 befestigt ist und sich radial nach außen davon erstreckt. Die Platte weist erste und zweite Paare von Ausgangsantriebsansätzen 71a,71b und 71c, 71d auf, die mit den Federn 41, 42 reagieren bzw. zusammenarbeiten.
Wie am besten in Figur 4 zu sehen, weist das Tragebzw. Unterstützungsglied 46 einen sich radial erstreckenden Flanschteil 46a mit einem Innenhülsenteil 46b auf, der mittels eines Hülsenlagers 58 an der Außenzylinderoberfläche des äußeren Nabengliedes 50 gelagert ist, erste und zweite Paare von Eingangsantriebsansätzen 46c, 46d und 46e, 46f zum Zusammenarbeiten mit den Federn 41, 42 und die an den freien Enden von Teilen definiert sind, die sich axial in Kantilever- bzw. Hebelart vom Flanschteil 46a erstrecken, ein Paar von sich axial erstreckenden Bügeln 469 um daran einen flachen Ring 60 zu befestigen, und zwar mittels eines Befestigungselementes 61, das in Figur 3 im Querschnitt gezeigt ist, und sechs sich radial erstreckende Laschen 46h zum Sichern eines inneren Umfangs eines Flansches 28c des Reibungsringes und eines äußeren Umfanges einer ringförmigen Gehäuseanordnung 62 des viskosen Dämpfers durch Befestigungselemente 64. Der flache Ring 60 verhindert eine nach rechts gerichtete Axialbewegung der benachbarten C-förmigen Feder 42. Der Ring 60 und die Beilagscheibe 57 sind in Figur 3 entfernt, um Details der darunterliegenden Struktur zu zeigen.
Die viskose Dämpferanordnung 48 weist die ringförmige Gehäuseanordnung 62 und eine ringförmige Kupplungsanordnung oder viskose Scherplattenanordnungen 66 auf. Die Dämpferanordnung ist vorzugsweise von der Art, die in US- Patent 4914799 offenbart ist. Kurz gesagt, weist die Dämpfergehäuseanordnung axial voneinander beabstandete Seitenwände 68, 70 auf, die eine mit viskoser Flüssigkeit gefüllte Kammer definieren. Die Kupplung oder Scherplattenanordnung 66 weist einen radial inneren Teil 66a auf, der mit dem inneren Nabenglied 50 durch Keile verbunden ist, und einen radial äußeren Teil mit entgegengesetztweisenden Kupplungsoberflächen in enger axial beabstandeter Beziehung mit den Oberflächen, die durch die Seitenwände 68, 70 definiert werden. Das Gehäuse und die Kupplungsoberflächen sind für ein Kupplungszusammenwirken dazwischen angeordnet, und zwar mittels der viskosen Scherflüssigkeit ansprechend auf relative Drehung des Gehäuses und der Kupplungsanordnung. Eine solche Relativrotation tritt natürlich ansprechend auf das Biegen der Federn 41, 42, 54 auf, und daher auf Relativdrehung des Dämpfungsmechanismuseingangs und -ausgangs, die vom Trageglied 46 und der Nabenanordnung 44 definiert werden.
Die C-förmigen Federn 41, 42 weisen jeweils ein erstes Ende 41a, 42a und ein zweites Ende 41b, 42b auf. In Figur 3 ist die Feder 42 teilweise weggebrochen, und zwar auf jeder Seite der 6-Uhr-Position, um die ersten und zweiten Enden 41a, 41b der Feder 41 zu zeigen. Jedes Federende besitzt daran angebracht einen Endbügel 72. Der Bügel kann in irgendeiner von mehreren bekannten Weisen befestigt bzw. gesichert werden, beispielsweise durch ein langgestrecktes Befestigungselement 741 wie beispielsweise durch die gestrichelten Linien in Figur 3 veranschaulicht. Die Bügel weisen mit Bezug auf ihre befestigten bzw. installierten Positionen jeweils einen sich radial nach außen erstreckenden Kontakt 72a und einen sich radial nach innen erstreckenden Kontakt 72b auf. Die radial äußeren Kontakte 72a der Bügel, die an den ersten und zweiten Enden der Feder 42 angebracht sind, werden durch umfangsmäßig voneinander beabstandete Ansätze 46c, 46e der ersten und zweiten Paare von Eingangsantriebsansätzen umfaßt, und in der selben Weise werden die Kontakte 72a der Bügel, die an den ersten und zweiten Enden der Feder 41 angebracht sind, durch umfangsmäßig voneinander beabstandete Ansätze 46d, 46f der ersten und zweiten Paare von Eingangsantriebsansätzen umfaßt. Jeder Bügel weist auch eine sich radial erstreckende Stopoberfläche 72c auf. Wenn die Bügel installiert bzw. montiert sind, begrenzen die Stopoberflächen die Anzahl der Drehgrade, die sich jede Feder biegen kann, und darin sind die Stopoberflächen 40 Grad voneinander entfernt.
Die radialinneren Kontakte 72b der Bügel, die an den ersten und zweiten Enden der Feder 42 angebracht sind, werden von umfangsmäßig voneinander beabstandeten Ansätzen 71a, 71c der ersten und zweiten Paare von Ausgangsantriebsansätzen umfaßt, und in der selben Weise werden die radial inneren Kontakte 729 der Bügel, die an den ersten und zweiten Enden der Feder 41 angebracht sind, von umfangsmäßig voneinander beabstandeten Ansätzen 71b, 71d der ersten und zweiten Paare von Ausgangsantriebsansätzen umfaßt. Die Ansätze 71a, 71c und 71b, 71d sind axial versetzt, so daß sie mit der axialen Mitte der Federn ausgerichtet sind, mit denen sie in Antriebsbeziehung stehen.
Die C-förmigen Federn 41, 42 werden vorzugsweise aus Einzelringen 76 gebildet, wie in Figur 7 veranschaulicht, oder alternativ aus einem Zylinder 78, wie in Figur 8 veranschaulicht. Der Ring 76 ist in der gewünschten Axial- und Radialdicke ausgebildet und wird dann in eine C-Form gebracht, und zwar durch Schneiden entlang der gestrichelten Linien 80, um einen kleinen Bogenteil 76a zu entfernen. Der Zylinder 78 wird auf die gewünschte radiale Dicke ausgeformt, dann entlang der gestrichelten Linien 82 in Ringe 84 von gewünschter axialer Dicke geschnitten, und dann in eine C-Form gebracht, und zwar durch Schneiden entlang der gestrichelten Linien 86 um einen kleinen Bogenteil 84a zu entfernen&sub4;
Figur 9 veranschaulicht schematisch einen vergrößerten Teil von einer der C-förmigen Kompositfedern mit Lagen von Verstärkungsfilamenten bzw. -fasern 88, die aus einer Matrix von Plastikmaterial 90 herausstehen. Die Filamente erstrecken sich in der Richtung der Krümmung der Ringe oder Zylinder. Die Filamente und Filamentlagen sind wesentlich näher zusammen als veranschaulicht und nehmen mehr als 50 Prozent des Volumens des Kompositmaterials ein. Die Filamente und das Plastik können aus irgendeinem von mehreren bekannten Materialien sein. Beispielsweise können die Filamente aus Glas, Aramiden, Bor, Nylon, usw. gebildet sein. Das Plastikmaterial kann aus Epoxiden, Cyanat-Esthern, Bismaleimiden, thermisch ausgehärteten Polyimiden, thermoplastischen Polyimiden, usw. gebildet sein. Gute Resultate sind mit Glasfibern erhalten worden, die zusammen mit einem Epoxidharz gebunden bzw. verbunden wurden, das von der Shell Oil Company als Shell 9405 vertrieben wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde aus Veranschaulichungsgründen dargestellt. Viele Variationen und Veränderungen des bevorzugten Ausführungsbeispiel werden als innerhalb des Umfangs der Erfindung angesehen, die durch die unabhängigen Ansprüche definiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Verwenden einer Feder (41), die aus einer Vielzahl von Lagen bzw. Schichten von Verstärkungs filamenten bzw. -fasern (88) gebildet ist, die zusammen durch ein Plastikmaterial (90) gebunden bzw. verbunden sind zum Übertragen von Drehmoment zwischen zwei drehbaren Glieder (46, 71), um die Lebensdauer der Feder zu verbessern, wobei die Feder (41) einen vorbestimmten Krümmungsradius im entspannten Zustand besitzt, und wobei sie erste und zweite Enden (41a, 41b) besitzt zum Übertragen von Drehmoment zu den und von den drehbaren Gliedern (46, 71), gekennzeichnet durch folgendes: Anlegen einer Kraft und einer Reaktionskraft an die Federenden (41a, 41b) jeweils nur in einer solchen Weise, daß die Kräfte eine Bewegung der Feder nur in Richtungen erzeugen, die den Krümmungsradius verkleinern, unabhängig vom Drehsinn des Einen (46) der drehbaren Glieder (46, 71) mit Bezug auf das Andere (71).

2. Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Formens der Feder (41c) in eine C-Form aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das folgende Schritte aufweist:

Formen der Feder als ein geschlossener ringförmiger Ring (76); und

Entfernen eines kleineren Bogenteils (76a) des Rings (76), um die ersten und zweiten Enden (41a, 41b) zu definieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das folgende Schritte aufweist: Formen eines langgestreckten Zylindergliedes (78) aus den Filamenten (88) und Plastikmaterial (90), Schneiden des Zylindergliedes (78) in eine Vielzahl von Ringen (84) von im Wesentlichen erwünschten Axialdicke; und Entfernen eines kleineren Bogenteils (84a) aus jedem Ringe, um die ersten und zweiten Enden (41a, 41b) zu definieren.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder in einer solchen Weise geformt ist, daß die Lagen von Verstärkungsfilamenten sich parallel zueinander und in Richtung der Krümmung erstrecken.

6. Verfahren zum Formen einer C-förmigen Kompositfeder (41), die eine Vielzahl von Lagen von Verstärkungsfilamenten (88) aufweist, die zusammen verbunden bzw. gebunden sind durch ein Plastikmaterial (90), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Formen der Lagen von Verstärkungsfilamenten und Plastikmaterial in einen geschlossenen Ring (76); und Entfernen eines kleineren Bogenteils (76a) des Ringes um erste und zweite umfangsmäßig voneinander beabstandete Enden (41a, 41b) zu definieren.

7. Verfahren zum Formen von C-förmigen Kompositfedern (41), die eine Vielzahl von Lagen von Verstärkungsfilamenten (88) aufweisen, die zusammen durch ein Plastikmaterial (90) verbunden sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Formen der Lagen von Verstärkungsfilamenten und des Plastikmaterial zu einem Zylinder (78);

Schneiden des Zylinders in Ringe (84) von erforderlicher axialer Dicke; und

Entfernen eines kleineren Bogenteils (84a) aus jedem Ring um erste und zweite umfangsmäßig voneinander beabstandete Enden (41a, 41b) definieren.

8. Verfahren zum Formen von C-förmigen Kompositfedern aus einem axial langgestreckten Zylinderglied (78), das aus einer Vielzahl von Lagen von Verstärkungsfilamenten (88) geformt ist, die um eine rotierende Spindel herumgewunden bzw. gewickelt sind, und die in einem thermoplastischen Material (90) eingekapselt bzw. eingeschlossen sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Schneiden des Zylindergliedes in eine Vielzahl von Ringen (84) von im Wesentlichen der gewünschten Axialdikke; und

Entfernen eines kleineren Bogenteils (84a) aus jedem Ring um erste und zweite voneinander beabstandete Enden (41a, 41b) zu definieren.