DE10011065A1

DE10011065A1 - Kupplung zwischen zwei Wellen

Info

Publication number: DE10011065A1
Application number: DE2000111065
Authority: DE
Inventors: Manfred Brueninghaus
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2001-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zur Übertragung eines Drehmoments zwischen zwei Wellen, insbesondere zwischen zwei Lenksäulenabschnitten eines Kraftfahrzeugs, wobei ein Ende der ersten Welle einen stirnseitigen Hohlraum aufweist, der von zumindest drei aneinander angrenzenden, sich parallel zur Längsachse der ersten Welle erstreckenden Kontaktflächen umgeben sind, und wobei das der ersten Welle zugewandte stirnseitige Ende der zweiten Welle einen in den Hohlraum der ersten Welle einführbaren Fortsatz mit einer der Anzahl der Kontaktflächen der ersten Welle entsprechenden Anzahl von Mantelflächen aufweist, wobei die Mantelflächen des Fortsatzes in ihrem sich parallel zur Längsachse der zweiten Welle erstreckenden Mittenbereich jeweils in Richtung dieser Längsachse vertieft ausgebildet sind, wobei sämtliche Übergänge zwischen den Mantelflächen und die Bereiche zwischen diesen Übergängen und den Vertiefungen gerundet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zur Übertragung eines Drehmoments zwischen zwei Wellen, insbesondere zwischen zwei Lenksäulenabschnitten eines Kraftfahrzeugs. Eine derartige Kupplung dient beispielsweise dazu, ein Drehmoment von einem ersten Lenksäulenabschnitt auf einen zweiten Lenksäulenabschnitt zu übertragen.

Es ist bekannt, zwei Wellen mittels einer Kupplung zu verbinden, wobei ein Ende der ersten Welle einen stirnseitigen Hohlraum aufweist, der von zumindest drei aneinander angrenzenden, sich parallel zur Längsachse der ersten Welle erstreckenden Kontaktflächen umgeben ist, und wobei das der ersten Welle zugewandte stirnseitige Ende der zweiten Welle einen in den Hohlraum der ersten Welle einführbaren Fortsatz mit einer der An zahl der Kontaktflächen der ersten Welle entsprechenden Anzahl von Mantelflächen aufweist.

Dieses Kupplungsprinzip ist mit dem Nachteil behaftet, daß in den Über gangsbereichen zwischen zwei Mantelflächen übermäßig hohe Flächenbe lastungen auftreten. Sie sind rechnerisch schwer erfaßbar, da sie wesent lich von der Ausführung der Ausrundung bzw. Fase in diesem Bereich ab hängen. Somit tritt Verschleiß auf, wodurch bei gegenläufigen Wellenbe wegungen wegen eines Spiels zwischen den beiden Wellen eine Hysterese hervorgerufen wird, die sich z. B. bei Lenksäulenanwendungen in einer ungenauen Lenkung sowie durch Klappergeräusche äußert.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genann ten Art zu schaffen, bei der das Problem des Verschleißes stark vermindert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kupplung mit den Merk malen des Anspruches 1 gelöst, insbesondere dadurch, daß die Mantelflä chen des Fortsatzes in ihrem sich parallel zur Längsachse der zweiten Welle erstreckenden Mittenbereich jeweils in Richtung dieser Längsachse vertieft ausgebildet sind, wobei sämtliche Übergänge zwischen den Man telflächen und die Bereiche zwischen diesen Übergängen und den Vertie fungen gerundet sind.

Durch die gerundete Ausgestaltung der Bereiche zwischen den Übergän gen und den Vertiefungen wird die hohe Kontaktbeanspruchung zwischen den Kontaktflächen des Hohlraums und den Mantelflächen des Fortsatzes pro Mantelfläche über eine Fläche mit einem relativ großen Radius über tragen, wodurch die beim Stand der Technik in den Übergangsbereichen zwischen benachbarten Mantelflächen bzw. in den Kantenbereichen von Fortsatz und Hohlraum auftretenden Spitzenbelastungen stark reduziert und leicht berechenbar werden. Dementsprechend wird erfindungsgemäß die Materialbeanspruchung deutlich herabgesetzt und somit der Ver schleiß vermindert. Der geringere Materialabrieb führt dazu, daß eine im Laufe der Zeit auftretende Hysterese bei Richtungsänderung der Drehmo mentübertragung verringert oder sogar vollständig vermieden wird, was sich beispielsweise bei einer Fahrzeuglenkung durch weniger Lenkspiel und Klappergeräusche bemerkbar macht.

Der Querschnitt der Vertiefungen ist bevorzugt gerundet ausgeführt. Ins besondere weist die Umfangslinie des Fortsatzes einen knickfreien Verlauf auf. Dadurch wird eine Kerbwirkung ausgeschlossen, die zu einem Bruch des fortsatzseitigen Wellenendes führen könnte.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mantelflä chen entlang der Längsachse der zweiten Welle ballig geformt. Diese balli ge Form der Mantelflächen ermöglicht in einem kleinen Winkelbereich ein Verschwenken der beiden Wellen zueinander, so daß eine Drehmoment übertragung zwischen den beiden Wellen auch dann erfolgen kann, wenn deren Achsen unter einem kleinen Winkel zueinander geneigt sind.

Die gerundete Ausgestaltung der Mantelflächen und die vertieften Berei che zwischen den Übergängen erzeugen Hohlräume, die als Schmiermit telaufnahmeraum dienen können. Das in den Zwischenräumen zwischen Fortsatz und Kontaktflächen des Hohlraums vorhandene Schmiermittel wird bei einer Drehung der beiden Wellen auf vorteilhafte Weise an die Kontaktstellen zwischen Fortsatz und Hohlrauminnenwänden gebracht, so daß im Betrieb eine zuverlässige Schmierung der Anordnung gewähr leistet ist und Materialabrieb zusätzlich verhindert wird.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Un teransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale Darstellung zweier Wellen, die durch eine erfindungsgemäße Kupplung verbindbar sind, wobei die Wellen voneinander getrennt dargestellt sind,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Endes eines Wellenelements gemäß Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht der Kupplung gemäß den Fig. 1 und 2 im zusammengesetzten Zustand in einem noch größeren Maßstab.

In Fig. 1 ist eine Kupplung zwischen zwei Lenksäulenabschnitten eines Kraftfahrzeugs gezeigt, die eine erste Welle 10 mit einer Längsachse A' und eine zweite Welle 20 mit einer Längsachse A umfaßt. Am stirnseitigen En de der ersten Welle 10 ist ein von sechs Kontaktflächen 15 umgebener, wellenstirnseitig offener Hohlraum 11 vorgesehen, dessen Öffnung in die ser Ansicht jedoch verdeckt ist. Die zweite Welle 20 besitzt an ihrem der Welle 10 zugewandten Ende einen Fortsatz 21, der entlang seines Um fangs sechs aneinander angrenzende Mantelflächen 25 aufweist. Ein Ein schnitt 22 ist ausgehend von einer Stirnseite 24 entlang der Längsachse A in die zweite Welle 20 eingebracht und erstreckt sich zwischen zwei dia metral entgegengesetzten Bereichen der Mantelflächen 25. Dieser Ein schnitt 22 dient dazu, die Montage der Kupplung dergestalt zu erleichtern, daß der Fortsatz 21 bei Einführen in den Hohlraum 11 zusammenge drückt werden kann, um ein Fügespiel zwischen dem Fortsatz 21 und dem Hohlraum 11 zu schaffen. Durch Einfügen einer Scheibe, nicht ge zeigt, in den Einschnitt 22 nach der Montage kann ein Zusammendrücken des Fortsatzes 21 während der Übertragung von Drehmoment verhindert werden.

In Fig. 2 ist zu sehen, daß die Mantelflächen 25 des zweiten Wellenele ments 20 entlang der Längsachse A mit einem Radius R3 ballig geformt und von der Längsachse A weg gewölbt sind. Der Radius R3 entspricht dabei dem Abstand einer Kontaktfläche 15 von der Längsachse A' der er sten Welle 10. Der Fortsatz 21 ist in der Seitenansicht gemäß Fig. 2 zu ei ner auf halber Länge des Fortsatzes 21 im Punkt Z senkrecht zur Längs achse A stehenden Symmetrieachse B achsensymmetrisch. Unmittelbar an die Mantelflächen 25 angrenzend ist der Durchmesser der zweiten Welle stufenartig zu einem Wellenbereich mit reduziertem Durchmesser 26 abgesetzt und steigt anschließend in einem konischen Wellenbereich 27 wieder bis zu einem zylindrischen Wellenbereich 28 an. Der Einschnitt 22 erstreckt sich in Richtung der Längsachse A durch die Mantelflächen 25 und die Wellenbereiche mit reduziertem Durchmesser 26, 27 hindurch und endet am Beginn des zylindrischen Wellenbereiches 28.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die zusammengesetzte Kupplung im Bereich des Fortsatzes 21 der zweiten Welle 20 bzw. des Hohlraums 11 der ersten Welle 10 gezeigt.

Der im Querschnitt gleichmäßig sechseckige Hohlraum 11 in der ersten Welle 10 mit den diesen umgebenden Kontaktflächen 15 ist zentriert zur Längsachse A' der ersten Welle 10 angeordnet. Die Kontaktflächen 15 des Hohlraums 11 sind jeweils ebene Flächen, die ohne größere Radien bzw. unter Ausbildung einer insbesondere nur leicht gerundeten Kante anein ander anschließen. Der Querschnitt der ersten Welle 10 im Bereich des Hohlraums 11 ist zu einer senkrecht zur Längsachse A' der ersten Welle 10 verlaufenden Symmetrieachse achsensymmetrisch und zu dem Schnittpunkt der Längsachse A' der ersten Welle 10 und der Quer schnittsfläche des Hohlraums 11 punktsymmetrisch.

Die sechs Mantelflächen 25 des Fortsatzes 21 der zweiten Welle 20 sind an ihren Übergängen jeweils mit einem Radius R1 gerundet. Sie sind au ßerdem in ihrem Mittenbereich jeweils mit einem Radius R2 nach innen gewölbt ausgebildet. Die Radien R1 und R2 sind in etwa gleich bemessen und gehen jeweils ohne Ausbildung von Kanten ineinander über. Der Querschnitt der zweiten Welle 20 im Bereich des Fortsatzes 21 ist zu einer senkrecht zur Längsachse A der zweiten Welle 20 verlaufenden Symme trieachse achsensymmetrisch und zu dem durch die Längsachse A der zweiten Welle 20 und die Querschnittsfläche des Fortsatzes 21 definierten Schnittpunkt punktsymmetrisch.

Hohlraum 11 und Fortsatz 21 sind so bemessen, daß die insgesamt sechs mit R1 gerundeten Übergänge jeweils an zwei Stellen in Berührung mit zwei aneinander angrenzenden Kontaktflächen 15 stehen, was bedeutet, daß der Fortsatz 21 paßgenau im Hohlraum 11 aufgenommen ist und Fortsatz 21 und Hohlraum 11 in der Zeichenebene der Fig. 3 praktisch keine Relativbewegungen zueinander ausführen können.

Durch die in Fig. 2 gezeigte ballige Ausgestaltung der Mantelflächen ent lang der Längsachse A und den Bereich mit verringertem Durchmesser 26 können die erste Welle 10 und die zweite Welle 20 um den als Drehpunkt wirkenden Punkt Z (Fig. 2) herum in bezug zueinander gekippt werden.

Dies ermöglicht eine gemeinsame Drehung der beiden Wellen 10, 20 trotz geringfügig zueinander geneigter Längsachsen A, A'.

In den Zwischenräumen, die jeweils zwischen den Vertiefungen der Man telflächen 25 und den Kontaktflächen 15 sowie zwischen den Radien R1 an den Übergängen der Mantelflächen 25 und den Übergangsstellen der Kontaktflächen 15 gebildet sind, befindet sich Schmierfett (nicht darge stellt), das sich bei einer Drehung der Anordnung zwischen die Kontakt stellen der Mantelflächen 25 und der Kontaktflächen 15 bewegt und Rei bung zwischen diesen vermindert.

Es ist festzustellen, daß durch die Gestalt der Mantelflächen 25 des zwei ten Wellenelements 20 jeweils pro Mantelfläche 25 zwei definierte Kon taktstellen mit der zugehörigen Kontaktfläche 15 geschaffen sind, die sich weder im Bereich einer Kante des Fortsatzes 12, noch im Bereich einer Kante der Kontaktflächen 15 des Hohlraums 11 befinden. Bei der Über tragung von Drehmoment zwischen der ersten Welle 10 und der zweiten Welle 20 findet unabhängig von der Drehrichtung der Anordnung die Krafteinleitung zwischen den Kontaktflächen 15 und den Radien der Mantelflächen 25 ohne jegliche - bei Kantenberührung auftretende - Spit zen-Oberflächenbelastung statt. Erfindungsgemäß vermindert sich also die Beanspruchung an den Kontaktstellen gemäß den Hertzschen Formeln für die Berührung zweier Körper.

Die Radien R1, R2 sind mit engen Toleranzen herstellbar. Dadurch sind die im Betrieb auftretenden Flächenpressungen gut berechenbar, so daß starke Streuungen der auftretenden Beanspruchungen bei verschiedenen Kupplungen verhindert werden.

Der vordere Teil der zweiten Welle 20 mit dem Fortsatz 21 ist bevorzugt durch Schleifen, Räumen oder ein anderes Kalt-Umformverfahren her stellbar.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen unterschiedliche Geometrien des Fortsatzes bzw. des Hohlraums der beiden Wellen. So können unterschiedliche Anzahlen von Mantelflächen bzw. Kontaktflächen vorgesehen sein, wobei sich eine Anzahl zwischen drei und zehn je nach Anwendung als vorteilhaft erweisen kann.

Die Gestalt der Vertiefungen der Mantelflächen ist prinzipiell frei wählbar. Jedoch ist zu berücksichtigen, daß eine Kerbwirkung durch scharfe Kan ten vermieden werden sollte.

Die Erfindung ist nicht auf den Bereich der Kraftfahrzeugtechnik be schränkt, sondern kann grundsätzlich angewandt werden, wenn Dreh moment zwischen zwei Wellen über kleine Winkel übertragen werden soll.

Bezugszeichenliste

10

erste Welle

11

Hohlraum

15

Kontaktflächen

20

zweite Welle

21

Fortsatz

22

Einschnitt

24

Stirnfläche

25

Mantelflächen

26

Wellenbereich mit reduziertem Durchmesser

27

konischer Wellenbereich

28

zylindrischer Wellenbereich
A' Längsachse erste Welle
A Längsachse zweite Welle
B Symmetrieachse
R1 Rundungsradius
R2 Wölbungradius
R3 Balligkeitsradius
Z Drehpunkt

Claims

1. Kupplung zur Übertragung eines Drehmoments zwischen zwei Wel len, insbesondere zwischen zwei Lenksäulenabschnitten eines Kraftfahrzeugs, wobei ein Ende der ersten Welle (10) einen stirnsei tigen Hohlraum (11) aufweist, der von zumindest drei aneinander angrenzenden, sich parallel zur Längsachse der ersten Welle (10) er streckenden Kontaktflächen (15) umgeben ist, und wobei das der ersten Welle (10) zugewandte stirnseitige Ende der zweiten Welle (20) einen in den Hohlraum (11) der ersten Welle (10) einführbaren Fortsatz (21) mit einer der Anzahl der Kontaktflächen (15) der ersten Welle (10) entsprechenden Anzahl von Mantelflächen (25) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen (25) des Fortsatzes (21) in ihrem sich parallel zur Längsachse (A) der zweiten Welle (20) erstreckenden Mittenbe reich jeweils in Richtung dieser Längsachse (A) vertieft ausgebildet sind, wobei sämtliche Übergänge zwischen den Mantelflächen (25) und die Bereiche zwischen diesen Übergängen und den Vertiefungen gerundet sind.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Vertiefungen gerundet ausgeführt ist und insbesondere die Umfangslinie des Fortsatzes (21) einen knickfreien Verlauf aufweist.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vertiefungen der Mantelflächen (25) und den Kontaktflächen (15) und/oder zwischen den gerundeten Übergängen der Mantelflächen (25) und den Kontaktflächen (15) ein Schmier mittelaufnahmeraum ausgebildet ist.

4. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (11) höchstens zehn und vorzugsweise sechs Kontaktflächen (15) aufweist und der Fortsatz (21) eine der Anzahl der Kontaktflächen (15) entsprechende Anzahl von Mantelflächen (25) besitzt.

5. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen (25) entlang der Längsachse (A) der zweiten Welle (20) ballig geformt sind.

6. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (10, 20) unter einem insbesondere veränderlichen Winkel zueinander angeordnet sind.

7. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlraums (11) zu einer senkrecht zur Längsachse (A') der ersten Welle (10) verlaufenden Symmetrieachse achsensymmetrisch ist und der Querschnitt des Fortsatzes (21) zu einer senkrecht zur Längsachse (A) der zweiten Welle (20) verlaufen den Symmetrieachse achsensymmetrisch ist.

8. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer geraden Anzahl von Kontaktflächen (15) bzw. Mantel flächen (25) der Querschnitt des Hohlraums (11) zu dem Schnitt punkt der Längsachse (A') der ersten Welle (10) und der Quer schnittsfläche des Hohlraums (11) punktsymmetrisch ist und der Querschnitt des Fortsatzes (21) zu dem Schnittpunkt der Längsach se (A) der zweiten Welle (20) und der Querschnittsfläche des Fortsat zes (21) punktsymmetrisch ist.

9. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der zweiten Welle (20) zumindest in einem axial unmittelbar an den Fortsatz (21) angrenzenden Bereich redu ziert ist.

10. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Welle (20) von der Stirnseite (24) her über zumindest einen Teil ihrer Länge mit einem durch ihre Längsachse (A) verlau fenden Einschnitt (22) versehen ist.