Moderne Motoren lassen sich mit extrem niedrigen Drehzahlen fahren. Der Trend geht zu immer höheren Motormomenten. Im Windkanal optimierte Karosserien erzeugen weniger Windgeräusche. Neue Berechnungsmethoden helfen, das Gewicht der Fahrzeuge zu senken, und Magerkonzepte erhöhen den Wirkungsgrad der Motoren. Ein fünfter oder sechster Getriebegang senkt ebenfalls den Verbrauch. Dünnflüssige Öle erleichtern das präzise Schalten. Kurz: Die Geräuschquellen nehmen zu, die natürliche Dämpfung wird geringer. Geblieben ist das Prinzip des Hubkolbenmotors, der mit seinen periodischen Verbrennungsvorgängen Drehschwingungen im Antriebsstrang anregt – Getrieberasseln und Karosseriedröhnen sind die unangenehmen Folgen. Komfortgewohnte Autofahrer akzeptieren heute eine solche Geräuschkulisse nicht mehr. Wichtiger denn je ist damit die Aufgabe der Kupplung, neben Trennen und Verbinden, Schwingungen des Motors wirkungsvoll zu isolieren. Physikalisch ist dies leicht zu lösen: Das Massenträgheitsmoment des Getriebes muss erhöht werden, ohne die zu schaltende Masse zu vergrößern. Dadurch werden die Drehschwingungen des Motors gedämpft, der gewünschte Komfort stellt sich ein. Nebenbei wird das Getriebe auch noch entlastet.
Der Name ist Programm
Als erstem Hersteller in Europa gelang es LuK, ein Zweimassen-Schwungrad für die Großserienfertigung zu entwickeln und zu liefern, mit dem dieses physikalische Prinzip realisiert werden konnte. Der Name sagt es bereits: Die Masse des herkömmlichen Schwungrades wurde geteilt. Ein Teil gehört weiterhin zum Massenträgheitsmoment des Motors. Der andere Teil erhöht jedoch nun das Massenträgheitsmoment des Getriebes. Verbunden sind die beiden entkoppelten Massen über ein Feder/Dämpfungssystem. Eine Kupplungsscheibe ohne Torsionsdämpfer zwischen der Sekundärmasse und dem Getriebe übernimmt das Trennen und Verbinden. Günstiger Nebeneffekt: das Getriebe läßt sich wegen der geringen zu synchronisierenden Masse leichter schalten, und die Synchronisierung verschleißt weniger.
Standard-ZMS
Ein Standard-Zweimassenschwungrad besteht aus der Primärschwungscheibe und der Sekundärschwungscheibe. Die beiden entkoppelten Schwungmassen sind über ein Feder-/Dämpfungssystem miteinander verbunden und über ein Rillenkugellager oder ein Gleitlager gegeneinander verdrehbar gelagert. Die dem Motor zugeordnete Primärschwungscheibe mit Anlasserzahnkranz wird fest mit der Kurbelwelle verschraubt. Sie umschließt zusammen mit dem Primärdeckel einen Hohlraum, der den Federkanal bildet. Das Feder-/Dämpfungssystem besteht aus den Bogenfedern. Sie liegen in Gleitschalen im Federkanal und erfüllen die Anforderungen an den „idealen“ Torsionsdämpfer mit geringstem Aufwand.
Die Gleitschalen gewährleisten eine gute Führung, und eine Fettfüllung im Federkanal verringert die Reibung zwischen Bogenfeder und Gleitschale. Die Übertragung des Motordrehmomentes erfolgt über den Flansch. Der Flansch ist mit der Sekundärschwungscheibe vernietet und greift mit seinen Flanschflügeln zwischen die Bogenfedern. Die Sekundärschwungscheibe erhöht das Massenträgheitsmoment auf der Getriebeseite. Zur besseren Wärmeabfuhr ist sie mit Lüftungsschlitzen versehen. Da sich das Feder-/Dämpfungssystem im ZMS befindet, wird als Kupplungsscheibe in der Regel eine starre Ausführung ohne Torsionsdämpfer eingesetzt.
1 Anlasserzahnkranz
2 Primärschwungscheibe
3 Bogenfeder
4 Gleitlager
5 Flansch
6 schwimmend gelagerte Reibeinrichtung
7 Primärdeckel (Schnitt)
8 Sekundärschwungscheibe
Bauteile des ZMS
Primärschwungscheibe
Die Primärschwungscheibe ist mit der Kurbelwelle des Motors verbunden. Ihre Massenträgheit bildet zusammen mit der Kurbelwelle eine Einheit. Im Vergleich zu einem konventionellen Schwungrad ist die Primärschwungscheibe des ZMS deutlich biegeelastischer, was zu einer Entlastung der Kurbelwelle führt. Darüber hinaus bildet sie zusammen mit dem Primärdeckel den Bogenfederkanal. Dieser ist im Allgemeinen zweiteilig und wird durch die Bogenfederanschläge begrenzt.
Zum Starten des Motors befindet sich auf der Primärschwungscheibe der Anlasserzahnkranz. Dieser ist je nach Ausführung des ZMS entweder aufgeschrumpft oder angeschweißt.
Sekundärschwungscheibe
Die Sekundärschwungscheibe bildet die getriebeseitige Anbindung des ZMS an den Antriebsstrang. Im Zusammenspiel mit der Kupplung überträgt sie das modulierte Drehmoment aus dem ZMS. Am Außenrand wird der Deckel der Kupplung angeschraubt. Im Inneren der Kupplung presst ein Federmechanismus nach dem Einkuppeln die Kupplungsscheibe an die Reibfläche der Sekundärschwungscheibe. Das Drehmoment wird reibschlüssig übertragen. Die sekundärseitige Schwungmasse setzt sich hauptsächlich aus der Sekundärschwungscheibe und dem Flansch zusammen. Über die Flanschflügel wird das Drehmoment von den Bogenfedern abgegriffen.
Lager
Lagersitz
Das Lager befindet sich in der Primärschwungscheibe. Die Drehlagerung ist eine Verbindung zwischen der Primärschwungscheibe und der Sekundärschwungscheibe. Darüber wird die Gewichtskraft der Sekundärschwungscheibe und der Kupplungsdruckplatte gelagert. Gleichzeitig stützt es die Ausrückkraft ab, welche beim Auskuppeln auf das ZMS wirkt. Die Lagerung gestattet nicht nur eine Verdrehung der beiden Schwungscheiben, sondern auch eine leichte Kippbewegung zueinander(leichtes Taumeln).
Lagerausführungen
In einem ZMS kommen zwei verschiedene Prinzipien von Lagern zum Einsatz:
Das Kugellager wird schon von Anfang an verwendet und verfügt mit fortlaufend verbesserter Ausführung über eine gute Laufeigenschaft.
DieWeiterentwicklung führte über ein kleines
Kugellager zum Gleitlager. Diese Lagerung ist heute der Standard beim ZMS.
Großes Kugellager
In die Primärschwungscheibe ist eine gedrehte Nabe eingebracht,
die als Sitz für ein großes Kugellager dient.
Auf der Primärschwungscheibe aus Blech ist ein Nabenflansch mit dem Lagersitz aufgebracht (gezogen und
gedreht). Der Lagersitz ist sowohl für ein kleines Kugellager, wie hier dargestellt, als auch für ein Gleitlager
modifizierbar.
Gleitlager
Das Gleitlager ist eine Weiterentwicklung des Kugellagers und wurde als ZMS-Lagerung eingeführt.
Flansch
Der Flansch dient zur Übertragung des Drehmomentes von der Primärschwungscheibe über die Bogenfedern zur Sekundärschwungscheibe und damit vom Motor zur Kupplung. Er ist fest mit der Sekundärschwungscheibe verbunden und liegt mit den Flanschflügeln (Pfeile) im Bogenfederkanal der Primärschwungscheibe. Zwischen den Bogenfederanschlägen des Bogenfederkanals ist genügend Raum vorhanden, so dass die Verdrehung des Flansches nicht behindert wird.
Bei hohen Drehzahlen werden die Bogenfedern aufgrund der hohen Fliehkraft stark nach außen gegen die Gleitschale gedrückt, und die Windungen werden abgeschaltet. Die Folge davon ist, dass die Bogenfeder versteift und die Federwirkung teilweise verloren geht. Um weiterhin eine gute Federwirkung zu gewährleisten, werden im Flansch gerade Druckfedern eingebaut. Wegen ihrer geringeren Masse und ihrer Anordnung auf einem kleineren Radius unterliegen diese Federn einer deutlich niedrigeren Fliehkraft. Zusätzlich wird die Reibung in den Federfenstern durch den konvex gebogenen oberen Rand weiter verringert. Damit nimmt die Reibung und die wirksame Federrate bei steigender Drehzahl nicht mehr zu.
Flanschausführungen
Starrer Flansch
Bei dieser Bauform ist der starre Flansch mit der Sekundärschwungscheibe vernietet. Zur besseren Schwingungsisolation sind die Flanschflügel in verschiedenen Symmetrien konstruiert. Die einfachste Form ist der symmetrische Flansch, bei dem die Zug- und Schubseite gleich ausgeführt sind. Die Krafteinleitung in die Bogenfedern erfolgt dadurch sowohl im Außen- als auch im Innenbereich der Endwindung.
Flansch mit Innendämpfer
Die Hauptfunktion des ZMS ist die bestmögliche schwingungstechnische Entkopplung von Getriebe und Motor. Um die immer höher werdenden Motordrehmomente bei gleichem Bauraum abzudecken, werden die Kennlinien der Bogenfedern zwangsläufig steiler. Das führt zu einer Verschlechterung der Schwingungsisolation. Durch reibungsfreie Innendämpfer konnte die Zugisolation verbessert werden. Der Flansch und die Seitenbleche haben im Inneren Federfenster, in denen gerade Druckfedern sitzen. Die gute Schwingungsisolation beim ZMS mit Innendämpfern bleibt bis zu höchsten Drehzahlen erhalten.
Flansch mit Rutschkupplung
Die dritte Flanschart ist, im Gegensatz zum starren Flansch, nicht fest mit der Sekundärschwungscheibe vernietet. Der Flansch ist hier als Tellerfeder ausgebildet. Die Tellerfeder wird am Rand von zwei Halteblechen positioniert. Im Querschnitt ergibt sich dadurch eine gabelförmige
Halterung. Durch das Reibmoment zwischen Halterung und Tellerfeder wird das Motordrehmoment sicher übertragen. Gleichzeitig schützt die Rutschkupplung das ZMS vor Überlastung.
Reibsteuerscheibe
In einigen Zweimassenschwungrädern gibt es eine zusätzliche Reibeinrichtung, die Reibsteuerscheibe. Sie besitzt einen Freiwinkel (a), d. h., die zusätzliche Reibung tritt erst bei größeren Verdrehwinkeln auf und bewirkt im Betrieb eine weitere Dämpfung, z. B. beim Start oder Lastwechsel.
Bogenfedern
Zweimassenschwungradsysteme erlauben es, die Geräuschqualität eines Fahrzeugs durch eine spezielle Gestaltung des Torsionsdämpfers erheblich zu verbessern. Eine direkte Folge davon ist, neben der geringeren Geräuschentwicklung, ein verringerter Kraftstoffverbrauch. Zur optimalen Ausnutzung des vorhandenen Bauraumes wird eine Schraubenfeder mit einer sehr großen Anzahl an Windungen halbkreisförmig eingebaut. Die sogenannte Bogenfeder liegt im Federkanal des ZMS und wird von einer Gleitschale abgestützt. Im Betrieb gleiten die Windungen der Bogenfeder an dieser Gleitschale entlang und erzeugen dabei Reibung, welche als Dämpfung genutzt wird. Um der Abnutzung der Bogenfeder vorzubeugen,
werden ihre Gleitkontakte mit Fett geschmiert. Durch diese Gestaltung der Federführung wird die Reibarbeit beträchtlich reduziert. Neben der besseren Schwingungsisolation kommt noch der Vorteil des geringeren Verschleißes hinzu.
Vorteile der Bogenfeder:
• Hohe Reibung bei großem Verdrehwinkel (Start) und niedrige Reibung bei kleinem Verdrehwinkel (Zug)
• Niedrige Federrate dank guter und flexibler Bauraumausnutzung
• Anschlagdämpfung integrierbar (Dämpfungsfeder)
Die Vielzahl der verschiedensten Bogenfedern ermöglicht es, für jeden Fahrzeugtyp und jede Belastungssituation genau abgestimmte Zweimassenschwungradsysteme anzufertigen. Bogenfedern werden in unterschiedlichen Ausführungen und Eigenschaften verbaut. Vor allem eingesetzt werden:
• Einstufige Federn
• Zweistufige Federn entweder als Parallelfeder in verschiedenen Ausführungen oder als
• Reihenfederausführung
• Dämpfungsfedern
Die einzelnen Federarten werden in der Praxis in unterschiedlichen Kombinationen eingesetzt.
Einzelfeder
Die einfachste Form der Bogenfeder ist die Standard-
Einzelfeder.
Einstufige Parallelfeder
Die heutigen Standardfedern sind sogenannte einstufige Parallelfedern. Sie bestehen aus einer Außen- und einer Innenfeder, welche annähernd gleich lang sind. Beide Federn werden parallel geschaltet. Die einzelnen Kennlinien der beiden Federn addieren sich zur Setkennlinie.
Zweistufige Parallelfeder
Bei den zweistufigen Parallelfedern liegen ebenfalls zwei Bogenfedern ineinander. Die innen liegende Feder ist kürzer, somit wird sie später betätigt. Die Kennlinie der äußeren Feder ist auf die Steigungsanforderungen bei einem Motorstart abgestimmt. Hier wird nur die weichere Außenfeder angesprochen, der problematische Resonanzfrequenzbereich kann schneller durchlaufen werden. Bei höheren Drehmomenten, bis hin zum max. Motordrehmoment, wird auch die Innenfeder betätigt. Außen- und Innenfeder arbeiten in der zweiten Stufe gemeinsam. Das Zusammenspiel beider Federn kann so eine gute Isolation bei allen Drehzahlen gewährleisten.
Dreistufige Bogenfeder
Diese Bogenfeder besteht aus einer Außenfeder und zwei in Reihe geschalteten, unterschiedlich starken Innenfedern. Hier werden die beiden Konzepte der Parallelfedern und Reihenfedern zusammen eingesetzt, um bei jedem Motordrehmoment den optimalen Torsionsausgleich gewährleisten zu können.
Motorausstattung: für Motoren mit Zweimassenschwungrad
