DE102004009478A1

DE102004009478A1 - Doppelwandiges Wellenrohr

Info

Publication number: DE102004009478A1
Application number: DE102004009478A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. Cermak
Original assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-02-28
Also published as: DE102004009478B4

Abstract

Doppelwandiges Wellenrohr 12 zur Drehmomentübertragung, bei dem eine äußere Rohrwandung 15 und eine innere Rohrwandung 16 flächig aneinander liegen und unter dauernder elastischer Vorspannung relativ zueinander stehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein doppelwandiges Wellenrohr zur Drehmomentübertragung, insbesondere zur Verwendung in Längsantriebswellen oder Seitenwellen in Kraftfahrzeugantriebssträngen. Der Bauraum moderner Kraftfahrzeuge ist zunehmend größeren Einschränkungen unterworfen. Dies gilt beispielsweise auch für die Konstruktion von Längsantriebswellen, deren Durchmesser trotz zunehmender Fahrzeugleistungen nicht mehr oder nur begrenzt vergrößert werden können.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wellenrohr zur Drehmomentübertragung vorzuschlagen, das verbesserte Eigenschaften insbesondere für die Verwendung in Antriebswellen aufweist. Die Lösung liegt in einem doppelwandigen Wellenrohr zur Drehmomentübertragung, bei dem eine äußere Rohrwandung und eine innere Rohrwandung flächig aneinanderliegen und unter dauernder elastischer Vorspannung relativ zueinander stehen. Ein solches Rohr weist höhere Biegeeigenfrequenzen als ein durchmessergleiches einwandiges Rohr auf und ist damit insbesondere für höhere Antriebsdrehzahlen und/oder größere Wellenlängen geeignet, wie sie zunehmend gefordert werden. Hiermit lassen sich Antriebswellen mit verbessertem NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) herstellen, indem erfindungsgemäße Wellenrohre mit Wellenzapfen bekannter Art durch Schweißverbindungen verbunden werden. Die innere Rohrwandung und äußere Rohrwandung können über Oberflächenreibung an ihren aneinanderliegenden Oberflächen in ihrem Vorspannungszustand gehalten werden. Bevorzugt wird jedoch vorgeschlagen, daß die äußere Rohrwandung und die innere Rohrwandung über ihre gesamten aneinanderliegenden Oberflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind oder daß die äußere Rohrwandung und die innere Rohrwandung an umfangs verteilten parallel zueinander verlaufenden Mantelbereichen ihrer aneinanderliegenden Oberflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind oder daß die äußere Rohrwandung und die innere Rohrwandung an zueinander parallel liegenden längsverteilten Umfangsbereichen ihrer aneinanderliegenden Oberflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Hierbei ist es möglich, daß die stoffschlüssig miteinander verbundenen Oberflächen miteinander verschweißt sind, miteinander verlötet sind oder miteinander verklebt sind.

Die genannten elastischen Vorspannungszustände der äußeren Rohrwandung und der inneren Rohrwandung können unterschiedlicher Natur sein. Nach einer ersten Ausführung ist vorgesehen, daß die äußere Rohrwandung unter Umfangszugspannung (tangentialer Zugspannung) und die innere Rohrwandung unter Umfangsdruckspannung steht. Nach einer alternativen Möglichkeit ist vorgesehen, daß eine der Rohrwandungen unter axialer Zugspannung und die andere der Rohrwandungen unter axialer Druckspannung steht. Schließlich ist es möglich, daß die Rohrwandungen unter gegensinnig gerichteten Torsionsspannungen stehen. Die verschiedenen Vorspannungszustände bedingen unterschiedliche Arten der Herstellung. Ein erstes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wellenrohres ist dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rohrwandung durch Axialzug-, Axialdruck- oder Torsionskräfte in einen elastischen Spannungszustand gebracht wird, die äußere Rohrwandung in flächigen Oberflächenkontakt mit der inneren Rohrwandung gebracht und zumindest teilflächig mit dieser stoffschlüssig verbunden wird und danach die Axialzug-, Axialdruck- oder Torsionskräfte auf die innere Rohrwandung aufgehoben werden. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, daß die äußere Rohrwandung durch ein Impulsschweißverfahren radial plastisch reduziert und mit der inneren Rohrwandung verschweißt wird. Alternativ dazu ist es möglich, daß die innere Rohrwandung mit Lot oder Klebstoff beschichtet wird, die äußere Rohrwandung auf die innere Rohrwandung thermisch aufgeschrumpft wird und Erwärmung eine Löt- oder Klebeverbindung erzeugt wird. Je nach Auswahl einer der genannten Kräftearten entsteht einer der genannten Vorspannungszustände an dem von äußeren Kräften entlasteten Wellenrohr.

Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren besteht darin, daß die äußere Rohrwandung durch äußere Axialzug-, Axialdruck- oder Torsionskräfte in einen elastischen Spannungszustand gebracht wird, die innere Rohrwandung in flächigen Kontakt mit der äußeren Rohrwandung gebracht wird und zumindest teilflächig mit dieser stoffschlüssig verbunden wir und abschließend die äußeren Axialzug-, Axialdruck- oder Torsionskräfte aufgebhoben werden. Hierbei ist analog zu oben vorgesehen, daß die innere Rohrwandung durch ein Impulsschweißverfahren radial plastisch aufgeweitet wird und mit der äußeren Rohrwandung verschweißt wird. Alternativ hierzu ist es auch hier möglich, daß die äußere Rohrwandung an ihrer Innenfläche mit Lot oder Klebstoff beschichtet wird, die innere Rohrwandung in die äußere Rohrwandung thermisch eingeschrumpft wird und durch Erwärmung eine Lot- oder Klebeverbindung erzeugt wird. Auch hier entsteht je nach Auswahl einer der genannten Kräftearten einer der genannten Vorspannungszustände an dem von äußeren Kräften entlasteten Wellenrohr.

Jeweils durch Aufheben der äußeren Belastungszustände an der zuvor unter Spannung gesetzten Rohrwandung versucht das freigegebene Rohrwandungsteil durch axiale Rückfederung oder durch torsionale Rückdrehung einen spannungsärmeren Zustand anzunehmen, bei dem jedoch gleichzeitig über die stoffschlüssige Oberflächenverbindung eine Gegenspannung im jeweils anderen Rohrwandungsteil aufgebaut wird, bis die beiden Rohrwandungsteile einen Gleichgewichtszustand angenommen haben, bei dem jedoch beide Rohrwandungsteile unter inneren aufgeprägten entgegengesetzten elastischen Vorspannungen stehen. Durch diese Vorspannungen erhöht sich die Steifigkeit des so hergestellten Verbundrohres relativ zu einem innen- und außendurchmessergleichen Wellenrohr mit homogenem spannungsfreien Aufbau.

Durch die flächige Verbindung beider Rohrwandungen kommt es lediglich im Anschlußbereich zu den Wellenzapfen zu einem Nachlassen der gewünschten Vorspannung. Somit bleiben herkömmliche Verbindungsverfahren, insbesondere Laser- oder Reibschweißverfahren für die Verbindung von Rohrwelle und Anschlußzapfen einsetzbar.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele und Anwendungsfälle der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Rohrwelle im Längsschnitt in einer ersten Ausführung;
2 zeigt eine erfindungsgemäße Rohrwelle im Längsschnitt in einer zweiten Ausführung;
3 zeigt eine erfindungsgemäße Rohrwelle im Längsschnitt in einer dritten Ausführung.
In den 1 und 2 ist eine Antriebswelle 11, beispielsweise eine Längsantriebswelle oder eine Seitenwelle in einem Kraftfahrzeug, gezeigt, die aus einem Wellenrohr 12 und zwei Anschlußzapfen 13, 14 besteht. Das Wellenrohr seinerseits besteht aus einer äußeren Rohrwandung 15 und einer inneren Rohrwandung 16, die flächig und mit elastischer Vorspannung ineinander anliegen. Hierbei sind die Rohrwandungen 15, 16 über ihre inneren Oberflächen (15) und äußeren Oberflächen (16) zumindest bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden. Dies heißt, die Stoffschlußverbindung kann die gesamten aneinander anliegenden Oberflächen umfassen oder einzelne umfangsverteilte Längsbereiche, die im wesentlichen von Mantellinien begrenzt sind, oder einzelne längsverteilte Umfangsbereich, die im wesentlichen von Umfangslinien begrenzt sind. Auf die Art der Herstellung der Vorspannung zwischen äußerer Rohrwandung 15 und innerer Rohrwandung 16 ebenso wie auf die Art der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung wurde bereits vorstehend eingegangen. Die im wesentlichen gleichartig ausgestalteten Anschlußzapfen 13, 14 umfassen jeweils einen Flansch 17, 18, an dem jeweils eine Hülse 19, 20 angeformt ist, deren Dicke in der Größenordnung des Wellenrohres 12 liegt, damit eine Schweißverbindung in stumpfem Stoß zwischen beiden problemlos hergestellt werden kann. In 1 ist diese Schweißverbindung durch jeweils eine umlaufende V-Naht 21, 22 dargestellt, die insbesondere mittels Laserschweißen erzeugt werden kann. In 2 ist die Schweißverbindung jeweils durch einen Reibschweißwulst 23, 24 erzeugt. An ihren freien Enden haben die Wellenzapfen 13, 14 jeweils Wellenverzahnungen 25, 26 zum Aufschieben eines Anschlußteils und Ringnuten 27, 28 zum Einsetzen eines Sicherungsringes.
In 3 ist eine Antriebswelle gezeigt, die aus einem Wellenrohr 11, einem Drehgelenk 29 und einem Anschlußzapfen 30 besteht. Das Wellenrohr seinerseits besteht aus einer äußeren Rohrwandung 15 und einer inneren Rohrwandung 16, die flächig und mit elastischer Vorspannung ineinander anliegen. Hierbei sind die Rohrwandungen 15, 16 über ihre inneren Oberflächen (15) und äußeren Oberflächen (16) zumindest bereichsweise stoffschlüssig miteinander verbunden. Dies heißt, die Stoffschlußverbindung kann die gesamten aneinander anliegenden Oberflächen umfassen oder einzelne umfangsverteilte Längsbereiche, die im wesentlichen von Mantellinien begrenzt sind, oder einzelne längsverteilte Umfangsbereich, die im wesentlichen von Umfangslinien begrenzt sind. Auf die Art der Herstellung der Vorspannung zwischen äußerer Rohrwandung 15 und innerer Rohrwandung 16 ebenso wie auf die Art der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung wurde bereits vorstehend eingegangen. Das Drehgelenk 29 umfaßt ein Außenteil 31, ein Innenteil 32, in diesen gehaltene drehmomentübertragende Kugeln 33 und einen die Kugeln haltenden Käfig 34. Gegenüber dem Inneren des Wellenrohres ist das Drehgelenk durch einen Deckel 35 abgedichtet. Das Innenteil 32 weist eine Wellenverzahnung 36 zur Herstellung einer drehmomentübertragenden Verbindung auf. Das Außenteil 31 ist auf das Wellenrohr 12 aufgeschoben und mittels einer äußeren Schweißnaht 37 mit diesem verbunden. Der Anschlußzapfen 30 umfaßt einen Flansch 38, an dem eine Hülse 39 angeformt ist. Diese ist in das Wellenrohr 12 passend eingeschoben und mittels einer äußeren Schweißnaht 40 mit diesem verbunden. Am freien Ende hat der Wellenzapfen 30 eine Wellenverzahnung 41 zum Aufschieben eines Anschlußteils und eine Ringnut 42 zum Einsetzen eines Sicherungsrings.

11: Antriebswelle
12: Wellenrohr
13: Wellenzapfen
14: Wellenzapfen
15: äußere Rohrwandung
16: innere Rohrwandung
17: Flansch
18: Flansch
19: Zylinderbund
20: Zylinderbund
21: V-Schweißnaht
22: V-Schweißnaht
23: Reibschweißnaht
24: Reibschweißnaht
25: Wellenverzahnung
26: Wellenverzahnung
27: Ringnut
28: Ringnut
29: Drehgelenk
30: Wellenzapfen
31: Außenteil
32: Innenteil
33: Kugeln
34: Käfig
35: Deckel
36: Wellenverzahnung
37: Schweißnaht
38: Flansch
39: Zylinderbund
40: Schweißnaht
41: Wellenverzahnung
42: Ringnut

Claims

Doppelwandiges Wellenrohr (12) zur Drehmomentübertragung, bei dem eine äußere Rohrwandung (15) und eine innere Rohrwandung (16) flächig aneinanderliegen und unter dauernder elastischer Vorspannung relativ zueinander stehen.
Wellenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Rohrwandung (15) und die innere Rohrwandung (16) über ihre gesamten aneinanderliegenden Oberflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Wellenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Rohrwandung (15) und die innere Rohrwandung (16) an umfangsverteilten parallel zueinander verlaufenden Mantelbereichen ihrer aneinanderliegenden Oberflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Wellenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Rohrwandung (15) und die innere Rohrwandung (16) an zueinander parallel liegenden längsverteilten Umfangsbereichen ihrer aneinanderliegenden Oberflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Wellenrohr nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssig miteinander verbundenen Oberflächenbereiche miteinander verschweißt sind.
Wellenrohr nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssig miteinander verbundenen Oberflächenbereiche miteinander verlötet sind.
Wellenrohr nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssig miteinander verbundenen Oberflächenbereiche miteinander verklebt sind.
Wellenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Rohrwandung (15) unter Umfangszugspannung (tangentialer Zugspannung) und die innere Rohrwandung (16) unter Umfangsdruckspannung steht.
Wellenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Rohrwandungen (15, 16) unter axialer Zugspannung und die andere der Rohrwandungen (16, 15) unter axialer Druckspannung steht.
Wellenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwandungen (15, 16) unter gegensinnig gerichteten Torsionsspannungen stehen.
Verwendung eines Wellenrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Bildung der Antriebswelle (11) mit zumindest einem Wellenzapfen (13, 14) verbunden ist.
Verwendung eines Wellenrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Bildung der Antriebswelle (11) mit zumindest einem Drehgelenk (29) verbunden ist.
Verwendung eines Wellenrohrs in einer Antriebswelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Außenteil (31) des Drehgelenks (29) unmittelbar mit dem Wellenrohr (12) verbunden ist.
Verwendung eines Wellenrohrs in einer Antriebswelle nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenzapfen (13, 14, 30) oder das Drehgelenk (29) jeweils in stumpfem Stoß durch eine Schweißnaht (21, 22) mit dem Wellenrohr (12) verbunden sind.
Verwendung eines Wellenrohrs in einer Antriebswelle nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenrohr (12) durch Reibschweißnähte (23, 24) mit dem Wellenzapfen (13, 14, 30) oder dem Drehgelenk (29) verbunden ist.
Verwendung eines Wellenrohrs in einer Antriebswelle nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlußzapfen (30) oder ein Drehgelenk (29) in das Wellenrohr (12) eingeschoben oder auf das Wellenrohr (12) aufgeschoben und mit diesem mittels einer Umfangsnaht verschweißt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Wellenrohres (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rohrwandung (16) durch äußere Axialzug-, Axialdruck- oder Torsionskräfte in einen elastischen Spannungszustand gebracht wird, die äußere Rohrwandung (15) in flächigen Oberflächenkontakt mit der inneren Rohrwandung (16) gebracht und zumindest teilflächig mit dieser stoffschlüssig verbunden wird und danach die Axialzug-, Axialdruck- oder Torsionskräfte auf die innere Rohrwandung aufgehoben werden.
Verfahren zur Herstellung eines Wellenrohres (12) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Rohrwandung (15) durch ein Impulsschweißverfahren radial plastisch reduziert und mit der inneren Rohrwandung (16) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rohrwandung (16) mit Lot oder Klebstoff beschichtet wird, die äußere Rohrwandung (15) auf die innere Rohrwandung (16) thermisch aufgeschrumpft wird und durch Erwärmung eine Löt- oder Klebeverbindung erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Wellenrohres nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Rohrwandung (15) durch äußere Axialzug-, Axialdruck- oder Torsionskräfte in einen elastischen Spannungszustand gebracht wird, die innere Rohrwandung (16) in flächigen Kontakt mit der äußeren Rohrwandung (15) gebracht wird und zumindest teilflächig mit dieser stoffschlüssig verbunden wir und abschließend die äußeren Axialzug-, Axialdruck- oder Torsionskräfte auf die äußere Rohrwandung aufgehoben werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rohrwandung (16) durch ein Impulsschweißverfahren radial plastisch aufgeweitet wird und mit der äußeren Rohrwandung (15) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Rohrwandung (15) an ihrer Innenfläche mit Lot oder Klebstoff beschichtet wird, die innere Rohrwandung (16) in die äußere Rohrwandung (15) thermisch eingeschrumpft wird und durch Erwärmung eine Lot- oder Klebeverbindung erzeugt wird.