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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Welle zur Übertragung einer Antriebsleistung
und insbesondere auf eine Gelenkwelle.
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Oftmals
werden im gerade im Fahrzeugbau, jedoch auch in anderen technischen
Gebieten Wellen eingesetzt, mit denen eine Antriebsleistung unter
einem Winkelversatz zu übertragen
ist. So werden Gelenkwellen mit Gleichlaufgelenken beispielsweise
in Radantrieben von Kraftfahrzeugen verwendet, wobei radseitig ein
Festgelenk und getriebeseitig ein Schiebegelenk vorgesehen ist.
Gelenkwellen mit Kardangelenken kommen unter anderem im Hauptantriebstrang
von Fahrzeugen mit Hinterrad- oder Allradantrieb zwischen einem
vornliegenden Verteilergetriebe und einem hinteren Differentialgetriebe
zum Einsatz.
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In
allen Fällen
hängt die
Laufruhe der Welle stark von deren Länge sowie von der dynamischen Auswuchtung
ab. Je nach Anregungsfrequenz können
an der Welle infolge von Resonanzerscheinungen mitunter große Biegeschwingungsamplituden auftreten.
Unter räumlich
beengten Verhältnissen, wie
sie insbesondere im Fahrzeugaufbau auftreten, sollen große Biegeschwingungsamplituden
jedoch möglichst
vermieden werden, da für
die Biegeschwingungen ein entsprechender Freiraum vorgesehen werden
muß, wodurch
die Schwingungen den Bauraum der Welle oder umliegender Bauteile
stark einschränken.
Zudem besteht die Gefahr einer Beschädigung der Welle oder der umliegenden
Bauteile.
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In
Kraftfahrzeugen werden die Anregungsfrequenzen vorwiegend durch
den Fahrzeugmotor verursacht. Große Biegeschwingungsamplituden
der Gelenkwellen infolge der Anregung durch den Motor beeinträchtigen
dort den Fahrkomfort. Es besteht daher ein großes Interesse daran, die erste
Eigenfrequenz der Gelenkwelle möglichst
hoch zu legen, so daß bei
niedrigen Anregungsfrequenzen keine Resonanzerscheinungen auftreten
können.
Dadurch läßt sich
die Gefahr, daß eine
Motor-Anregungsfrequenz mit einer Eigenfrequenz der Gelenkwelle
zusammenfällt
und große
Biegeschwingungsamplituden verursacht, deutlich vermindern.
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Eine
Möglichkeit,
die erste Biegeeigenfrequenz einer solchen Welle zu erhöhen, besteht
darin, diese mit einem möglichst
großen
Durchmesser auszubilden. Dies ist jedoch für eine kompakte Bauweise unter
räumlich
beengten Verhältnissen
ungünstig. Zur
Vermeidung von großen
Biegeschwingungsamplituden werden daher oftmals Schwingungstilger
an den Gelenkwellen angebracht, die auf die Frequenzen mit den größten Amplituden
abgestimmt sind. Derartige Tilger erhöhen als Zusatzmassen jedoch das
Gewicht einer Gelenkwelle und sind überdies sehr kostenintensiv.
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Aus
der
DE 1 113 367 A ist
eine Antriebswelle für
Kraftfarzeuge bekannt, die in spannungsfreiem Zustand gerade ist
und zur Drehmomentübertragung in
nicht gerader Lage durch Spannungen gehalten wird, wodurch die kristische
Drehzahl oder Eigenschwingungszahl erhöht wird.
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Aus
der
GB 1 546 342 A ist
eine Antriebswelle bekannt, bei der durch Verdrehen der Enden von zwei
Rohren gegeinander eine Vorspannung erreicht wird, die die Schwingungen
der Antriebswelle reduziert.
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Vor
diesem Hintergrund liegt in der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Welle zur Übertragung einer
Antriebsleistung und insbesondere eine Gelenkwelle zu schaffen,
die bei einem kompakten und einfach zu fertigenden Aufbau die Gefahr
der Anregung von Biegeschwingungen mit großer Amplitude vermindert.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Welle gelöst, die im folgenden umfaßt: einen
Wellenkörper
mit einer Drehachse, der einen sich in Richtung der Drehachse erstreckenden
Hohlraum aufweist, und einen in dem Hohlraum angeordneten Stab,
der sich in Richtung der Drehachse des Wellenkörpers erstreckt und der gegen
die axialen Enden des Wellenkörpers unter
einer Vorspannkraft abgestützt
ist.
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Durch
die axiale Vorspannung der Welle bzw. Gelenkwelle läßt sich
die erste Eigenfrequenz zu höheren
Frequenzen hin verschieben. Aufgrund der koaxialen Anordnung des
Wellenkörpers
und des Stabes bleibt die Welle in ihren Außenabmessungen kompakt. Im
Vergleich zu einer Welle mit hohlem Wellenkörper und gleichen Außenabmessungen
ergibt sich aufgrund der höheren
ersten Eigenfrequenz eine größere Laufruhe.
Auch im Vergleich zu einer Welle mit gleicher Masse läßt sich
aufgrund der höheren
ersten Eigenfrequenz die Laufruhe verbessern. Damit wird bei gleichzeitig
verringertem Bauraum und verringerter Masse die Gefahr der Anregung
von Biegeschwingungen mit großer
Amplitude vermindert. Insbesondere erlaubt die kompakte Bauweise
durch die Verwirklichung neuer Wellengeometrien mit geringeren Abmessungen
einen höheren Gestaltungsspielraum
in bezug auf die Umgebung der Welle.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem
Stab und dem Wellenkörper
ein verstellbares Spannorgan zur Einstellung der Vorspannkraft eingegliedert.
Hierdurch ist es möglich,
die Vorspannkraft gezielt auf ein gewünschtes Niveau einzustellen
und bei auftretenden Abweichungen gegebenenfalls zu korrigieren.
Damit läßt sich
eine besonders genaue Frequenzabstimmung verwirklichen.
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Prinzipiell
ist es möglich,
die erste Eigenfrequenz der Welle je nach Anordnung des Wellenkörpers und
des Stabes zueinander durch die Einbringung einer Zugkraft oder
einer Druckkraft zu erhöhen.
Vorzugsweise ist hier jedoch der Stab als Druckstab angeordnet,
wobei dessen Vorspannkraft als Druckkraft über das Spannorgan einstellbar
ist. Nach Einbringung der Vorspannkraft stellt sich in dem Wellenkörper eine
Zug-Vorspannung ein.
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Zur
Vermeidung von großen
Biegeschwingungsamplituden wird die Vorspannkraft bevorzugt derart
eingestellt, daß die
erste Biegeschwingungseigenfrequenz oberhalb der Motoranregungsfrequenz eines
Kraftfahrzeuges liegt.
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In
einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist
der Wellenkörper
an einem axialen Ende eine Öffnung
auf, durch welche der Stab hindurchführbar ist. Über diese Öffnung ist der Stab in dem
Hohlraum für
ein Verspannen zugänglich.
Es ist auch möglich,
den Stab durch diese Öffnung
in den Hohlraum einzuführen,
beispielsweise dann, wenn der Stab mit seinem von der Öffnung abgewandten
Ende mit dem Wellenkörper
verschraubt wird.
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Vorzugsweise
wird jedoch aus Gründen
der Erleichterung der Serienfertigung der Stab an einer Stirnseite
mit dem Wellenkörper
verschweißt.
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In
einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen
der Außenwand
des Stabes und der Innenwand des Wellenkörpers ein Zwischenraum ausgebildet,
wodurch die Masse der Welle gering bleibt. Zudem sind zwischen der
Außenwand
des Stabes und der Innenwand des Wellenkörpers Abstandhalter aus Elastomermaterial
eingegliedert. Mit diesen wird der Stab in dem Hohlraum zentriert,
so daß bei
einer Druckvorspannung auch auf eine stirnseitig form- oder stoffschlüssige Verbindung des
Stabes mit dem Wellenkörper
verzichtet werden kann, sofern diese Abstützung der Stirnseite gegen eine
axiale Innenwand des Wellenkörpers
erfolgt. Überdies
bewirken die Abstandhalter einen zusätzlichen Versteifungseffekt,
der zu einer Erhöhung
der ersten Eigenfrequenz der Welle führt. Die Abstandshalter können beispielsweise
als den Stab umgebende Ringe ausgebildet werden. Je nach Länge der Welle
sind zwei oder auch mehr Abstandhalter in Längsrichtung des Wellenkörpers voneinander
beabstandet vorgesehen.
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Zur
Einbringung der Vorspannkraft in den Stab und in den Wellenkörper kann
ein Bolzen in die Öffnung
an dem axialen Ende des Wellenkörpers
als Spannorgan eingeschraubt werden, dessen Stirnseite gegen den
Stab drückt.
Bei einem Anziehen des Bolzens ergibt sich dann in dem Stab eine
Druckspannung, in dem Wellenkörper
hingegen eine Zugspannung. Der Bolzen ist beispielsweise eine handelsübliche Schraube.
Daraus resultiert eine besonders einfache, jedoch wirkungsvolle
Möglichkeit
zur Einbringung der Vorspannung in die Welle.
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Nachfolgend
wird die Erfindung nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt in:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Welle nach der Erfindung am Beispiel einer Gelenkwelle und
in
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2 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Biegeschwingungsamplitude der
Gelenkwelle nach 1 in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz.
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Das
Ausführungsbeispiel
zeigt eine Gelenkwelle mit einem Wellenkörper 1, der zwischen
zwei Anschlußflanschen 2 und 3 einen
rohrartigen Abschnitt 4 aufweist. Die beiden Anschlußflansche 2 und 3 dienen
der Ankopplung an ein hier nicht näher dargestelltes Gelenk oder
an eine Antriebseinrichtung. Die Anschlußflansche 2 und 3 sind
beispielhaft als Wellenabschnitte ausgebildet, können aber den Anschlußverhältnissen
entsprechend angepaßt
werden.
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Der
rohrartige Abschnitt 4 des Wellenkörpers 1 weist einen
zentrischen Hohlraum 5 auf, der sich koaxial zu der Dreh-
bzw. Längsachse
A des Wellenkörpers 1 erstreckt.
Durch einen der Anschlußflansche 2 leitete
eine Öffnung 6 zu
dem Hohlraum 5, die entlang der Drehachse A verläuft und
einen kleineren Durchmesser besitzt, als der Hohlraum 5.
Der gegenüberliegende
Anschlußflansch 3 schließt den Hohlraum 5 hingegen
axial mit einer Innenwand 7 ab.
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In
dem Hohlraum 5 ist ein koaxial zu der Längsachse A verlaufender Stab 8 angeordnet.
Der Stab 8 ist mit seinen beiden axialen Enden 9 und 10 gegen
die Anschlußflansche 2 und 3 des
Wellenkörpers 1 verspannt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Stab 8 als Druckstab eingebaut, so daß der Wellenkörper 1 und
insbesondere dessen rohrartiger Abschnitt 4 auf Zug vorgespannt
werden.
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Dazu
stützt
sich der Stab 8 an seinem der Öffnung 6 gegenüberliegenden
Ende 10 mit seiner Stirnwand gegen die Innenwand 7 des
Hohlraums 5 ab. Es ist prinzipiell möglich, dieses Ende 10 des
Stabes 8 mit der Innenwand 7 zu verschrauben oder
anderweitig in Radialrichtung festzulegen, indem dieses beispielsweise
eng in einer Ausnehmung aufgenommen wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das Ende 10 jedoch an die Innenwand 7 angeschweißt, so daß der Stab 8 bei
Biegeschwingungen radial nicht ausweichen kann.
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Das
andere Ende 9 des Stabes 8 ist hingegen in der Öffnung 6 radial
gelagert. Dabei sind die Öffnung 6 und
der Stab 8 in ihrem Querschnitt jeweils derart ausgebildet,
daß der
Stab 8 durch die Öffnung 6 hindurchführbar ist.
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Wie 1 entnommen
werden kann, bleibt zwischen dem Außenumfang des Stabes 8 und
der radialen Innenwand 11 des Hohlraumes 5 ein
Zwischenraum 12 frei. In diesem Zwischenraum 12 sind mehrere,
in Richtung der Drehachse A axial voneinander beabstandete Abstandhalter 13 vorgesehen, mit
denen sich der Stab 8 radial gegen die Innenwand 11 abstützt. Diese
Abstandhalter 13 bestehen aus einem Elastomermaterial,
beispielsweise Gummi, und umgeben den Stab 8 jeweils ringförmig. Durch
die Kopplung des Stabes 8 mit dem rohrartigen Abschnitt 4 des
Wellenkörpers 1 werden
Schwingungen des Stabes 8 gedämpft.
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Zwischen
dem Stab 8 und dem Wellenkörper 1 ist ein verstellbares
Spannorgan 14 zur Einstellung einer Vorspannkraft angeordnet.
Dieses Spannorgan 14 ist hier ein Schraubbolzen, der in
ein stirnseitiges Ende der Öffnung 6 des
Anschlußflansches 2 eingeschraubt
ist. Im Einbauzustand drückt
der Schraubbolzen mit seiner Stirnseite gegen die in der Öffnung 6 liegende
Stirnseite des Stabes 8, um in dem Stab eine Druckkraft
zu bewirken. Die Höhe
der Druckkraft ist durch das Spannorgan 14 einstellbar.
Dieses wird nach Erreichen einer gewünschten Vorspannkraft in seiner Position
fixiert.
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Durch
die Vorspannung der Gelenkwelle läßt sich die erste Eigenfrequenz
beeinflussen. 2 zeigt zwei Biegeschwingungsamplitudenverläufe in Abhängigkeit
von der Frequenz. Zudem ist eine kritische Anregungsfrequenz fA eingezeichnet, die beispielsweise die Hauptanregungsfrequenz
eines Fahrzeugmotors sein kann. Der erste Amplitudenverlauf A1 repräsentiert
eine Gelenkwelle entsprechend 1, jedoch
ohne zentralen Stab 8. Der zweite Amplitudenverlauf A2 repräsentiert
hingegen die vorgespannte Gelenkwelle nach 1 unter
gleichen Randbedingungen. Ein Vergleich der beiden Amplitudenverläufe zeigt,
daß durch
die Vorspannung der Gelenkwelle, d. h. eine Druckvorspannung des
Stabes 8 und eine Zugvorspannung des Wellenkörpers 1 eine
deutliche Verschiebung der ersten Eigenfrequenz fE der
Gelenkwelle zu höheren
Frequenzen erreicht wird. Diese liegt hier über der Hauptanregungsfrequenz
fA. Resonanzeffekte und damit verbundene große Biegeschwingungsamplituden
sind so zu höheren
Frequenzen hin verschoben. Dadurch wird die Gefahr einer kritischen
Schwingungsanregung der Gelenkwelle vermindert.
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Somit
lassen sich Wellengeometrien mit geringeren Abmessungen als bisher
herstellen. Durch die Verminderung der Biegeschwingungen ergibt sich
ein größerer Gestaltungsspielraum
im Bereich der Gelenkwelle oder eine kompaktere Bauweise. Gegebenenfalls
kann auch die Masse der Gelenkwelle verringert werden.
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- 1
- Wellenkörper
- 2
- Anschlußflansch
- 3
- Anschlußflansch
- 4
- rohrartiger
Abschnitt
- 5
- Hohlraum
- 6
- Öffnung
- 7
- axiale
Innenwand
- 8
- Stab
- 9
- Stabende
- 10
- Stabende
- 11
- radiale
Innenwand
- 12
- Zwischenraum
- 13
- Abstandhalter
- 14
- Spannorgan
- A
- Drehachse
- A1
- Amplitudenverlauf
einer ungespannten Gelenkwelle
- A2
- Amplitudenverlauf
einer gespannten Gelenkwelle
- fA
- Anregungsfrequenz
- fE
- Eigenfrequenz
der gespannten Gelenkwelle