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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentübertragungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus der von der Anmelderin beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereichten älteren, nicht vorveröffentlichten
DE 103 11 273 A1 ist eine Drehmomentübertragungsvorrichtung mit zwei koaxial angeordneten Wellen bekannt, wobei eine innere Welle vorgesehen ist, die in einer Hohlwelle angeordnet ist. Ferner ist eine „Drehmomentübertragungseinrichtung“ vorgesehen, welche eine Drehmomentübertragung von der einen auf die andere Welle ermöglicht. Die Drehmomentübertragung von der einen auf die andere Welle erfolgt jedoch erst dann, wenn die eine Welle um einen vorgegebenen Torsionswinkel gegenüber der anderen Welle tordiert ist. Die Drehmomentübertragungsvorrichtung, die z. B. als Gelenkwelle für ein Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann, weist eine zweistufige Torsionssteifigkeitskennlinie auf. Ausgehend von dem einen lastfreien Zustand hat die Drehmomentübertragungsvorrichtung bis zu einem vorgegebenen Drehmoment, d. h. bis zu einem vorgegebenen Relativtorsionswinkel der beiden Wellen eine relativ geringe Torsionssteifigkeit. Bei Größeren Relativtorsionswinkeln erfolgt eine Drehmomentübertragung von der inneren Welle auf die äußere Hohlwelle, wodurch sich eine Größere Torsionssteifigkeit ergibt. Die Drehmomentübertragungsvorrichtung ist somit bei geringen Lasten „torsionsweich“ und bei Größeren Lasten vergleichsweise „torsionssteif“.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs beschriebene Drehmomentübertragungsvorrichtung so zu verbessern, dass sie noch besser für einen Einsatz im Antriebsstrang eines Fahrzeugs, insbesondere bei einem Motorrad, geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, dass bei der eingangs erwähnten Drehmomentübertragungsvorrichtung zusätzlich eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen wird, die eine Torsionsbewegung der inneren Welle gegenüber der äußeren Welle bzw. umgekehrt dämpft.
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Die Dämpfungseinrichtung kann ganz oder teilweise durch die innere Welle gebildet sein. Hierzu wird die innere Welle aus einem drehschwingungsdämpfenden Werkstoff hergestellt. Eine Drehschwingungsdämpfung kann beispielsweise mit einer inneren Welle erreicht werden, die aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff hergestellt ist. Unter dem Begriff „drehschwingungsdämpfender Werkstoff“ wird im Zusammenhang mit der inneren Welle ein Werkstoff verstanden, der eine gewisse „Torsionshysterese“ aufweist. Das bedeutet, dass sich die innere Welle bei einer Entlastung nach einer Torsion selbsttätig nicht bzw. nicht vollständig in ihren Ausgangszustand vor der Torsion zurückdreht.
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Alternativ zu einer als „Drehschwingungsdämpfer“ wirkenden inneren Welle oder ergänzend dazu kann „zwischen“ der inneren Welle und der äußeren Welle eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von Drehschwingungen vorgesehen sein. Bei der Dämpfungseinrichtung kann es sich um einen Reibungsdämpfer handeln. Das Merkmal „zwischen der inneren Welle und der äußeren Welle“ bedeutet in diesem Zusammenhang nicht unbedingt, dass der Reibungsdämpfer unmittelbar räumlich zwischen der inneren Welle und der äußeren Welle angeordnet ist. Ganz allgemein gesprochen kann ein Reibelement vorgesehen sein, dass drehfest mit einer der beiden Wellen verbunden ist und dass bei einer Verdrehung der beiden Wellen relativ zueinander an der anderen Welle oder an einem drehfest mit der anderen Welle verbundenen Gegenreibelement reibt. Denkbar ist beispielsweise, dass an einem Ende der inneren Welle bzw. an einem fest mit der inneren Welle verbundenen Endstück ein Reibelement angeordnet ist, das in Axialrichtung der inneren Welle gegen die äußere Welle drückt oder gegen ein z.B. an der Stirnseite der äußeren Welle vorgesehenes Gegenreibelement drückt. Bei einer Relativverdrehung der beiden Wellen wird die Torsionsbewegung durch die „Reibeinrichtung“ gedämpft.
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Sofern, wie oben beschrieben, das Reibelement und das Gegenreibelement im Wesentlichen in Axialrichtung der Wellen gegeneinander drücken, können das Reibelement und das Gegenreibelement durch eine in Axialrichtung wirkende Druckfeder vorgespannt sein. Eine Vorspannung kann beispielsweise durch eine Tellerfeder oder ein Tellerfederpaket erreicht werden, die bzw. das an einem Ende der inneren Welle oder an einem mit der inneren Welle verbundenen Endstück angeordnet ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die innere Welle und die äußere Welle in einem „Verbindungsbereich“ fest miteinander verbunden. Die Drehmomentübertragungseinrichtung ist axial beabstandet von diesem Verbindungsbereich angeordnet. Vorzugsweise ist einer erster Endbereich der inneren Welle drehfest mit einem ersten Endbereich der äußeren Welle verbunden. Die innere Welle und die äußere Welle können unmittelbar an einem ihrer Enden verbunden sein oder mittelbar über ein oder mehrere Zwischenelemente. Die Drehmomentübertragungseinrichtung kann in diesem Fall im Bereich eines zweiten Endes der inneren Welle und der äußeren Welle angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Drehmomentübertragungseinrichtung durch Formschlusselemente gebildet, die bei Erreichen eines konstruktiv vorgegebenen Relativtorsionswinkels der beiden Wellen ineinandergreifen.
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Vorzugsweise ist die Torsionssteifigkeit der inneren Welle kleiner als die Torsionssteifigkeit der äußeren Welle. In diesem Fall ist die Drehmomentübertragungsvorrichtung bei kleinen Drehmomenten, d. h. bei kleinen Relativtorsionswinkeln torsionsweich und bei Größeren Verdrehungen relativ torsionssteif.
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Alternativ oder ergänzend zu den oben erläuterten „Dämpfungsanordnungen“ kann auch vorgesehen sein, dass die innere Welle mit einer Hülse drehfest verbunden ist, in die die äußere Welle eingeschoben ist. An der Außenseite der äußeren Welle kann ein Elastomer aufvulkanisiert sein. Das Elastomer ist somit fest mit der äußeren Welle verbunden. Ferner ist das Elastomer in die Hülse, welche mit der inneren Welle drehfest verbunden ist, eingepresst. Das Elastomer ist also in dem Ringraum zwischen der Außenseite der äußeren Welle und der Innenseite der Hülse angeordnet. Aufgrund der Verformbarkeit der Elastomers kann auch auf diese Weise eine Drehschwingungsdämpfung erreicht werden. Das Elastomer ist hinreichend fest in die Hülse eingepresst, so dass in „normalen Betriebssituationen“ keine Relativverdrehung der Hülse im Bezug auf das Elastomer stattfindet, sondern lediglich eine auf einer elastischen Verformung des Elastomers beruhende Relativverdrehung der Hülse in Bezug auf die äußere Welle.
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Vorzugsweise sind die Hülse und das Elastomer im Bereich eines Endes der inneren Welle und der äußeren Welle angeordnet und die Drehmomentübertragungseinrichtung im Bereich des anderen Endes der inneren Welle und der äußeren Welle.
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Die oben beschriebene Drehmomentüberragungsvorrichtung kann als Kardanwelle für ein Automobil, vorzugsweise aber für ein Motorrad eingesetzt werden. Die Drehmomentübertragungsvorrichtung eignet sich besonders gut für einen Einsatz bei einem Motorrad, weil auf einer relativ kurzen Baulänge eine hinreichend steife und gleichzeitig dämpfende Übetragungscharakteristik darstellbar ist.
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Die Drehmomentübertragungsvorrichtung kann insbesondere als „Kardanwelle“ ausgebildet sein. In diesem Fall kann das erste Ende der äußeren Welle mit einem ersten Kardangelenk verbunden sein und das zweite Ende der inneren Welle kann mit einem zweiten Kardangelenk verbunden sein.
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Alternativ dazu kann bei der Ausführungsform, bei der die äußere Welle zumindest teilweise von einer Hülse umschlossen ist und zwischen der äußeren Welle und der Hülse ein Elastomer angeordnet ist, ein dem ersten Ende der äußeren Welle zugewandtes Ende der Hülse mit einem ersten Kardangelenk verbunden sein. Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden wir die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1a-1f ein Ausführungsbeispiel einer Gelenkwelle, bei der die Dämpfungseinrichtung durch eine aus einem drehschwingungsdämpfenden Werkstoff hergestellten inneren Welle gebildet ist;
- 2a-2f ein Ausführungsbeispiel einer Gelenkwelle, bei der eine zwischen der inneren Welle und der äußeren Welle wirkende Reibeinrichtung vorgesehen ist; und
- 3a-3e ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine zusätzliche Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist.
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Die 1a, 1b zeigen eine Gelenkwelle 1, die ein erstes Ende 2 und ein zweites Ende 3 aufweist. Am ersten Ende 2 ist ein erstes Kardangelenk 4 und am zweiten Ende 3 ein zweites Kardangelenk 5 angeordnet. Die eigentliche Gelenkwelle 1 weist, wie am besten aus 1b ersichtlich ist, eine innere Welle 6 auf, die hier als hohler Torsionsstab ausgebildet ist, sowie eine äußere Welle 7, die als Hohlwelle ausgebildet ist. Die innere Welle 6 ist koaxial in der äußeren Welle 7 angeordnet.
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Die innere Welle 6 weist ein erstes Ende 8 auf und ein zweites Ende 9. Die beiden Enden 8, 9 sind jeweils als Mehrkantprofil, z. B. als Vierkantprofil, ausgebildet. Das erste Ende 8 ist in eine komplementär gestaltete Buchse 10 eines Endstücks 11 eingeschoben. Das Endstück 11 ist mit einem ersten Ende 12 der äußeren Welle 7 verschweißt. Somit ist die innere Welle im Bereich ihres ersten Endes 8 drehfest mit dem ersten Ende 12 der äußeren Welle 7 verbunden.
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1c zeigt einen Querschnitt durch die Gelenkwelle im Bereich des ersten Endes 8 der inneren Welle 6.
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Das zweite Ende 9 der inneren Welle 10 ist ebenfalls als Mehrkantprofil ausgebildet, das in eine komplementär dazu gestaltete Buchse 13 eines Endstücks 14 der inneren Welle 6 eingeschoben ist. Das Endstück 14 ist somit drehfest mit dem zweiten Ende 9 der inneren Welle 6 verbunden, jedoch gegenüber der äußeren Welle 7 verdrehbar.
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Wie am besten aus den 1e und 1f ersichtlich ist, welche Querschnitte durch die Gelenkwelle im Bereich des Endstücks 14 zeigen, sind an der Außenseite des Endstücks 14 radial abstehende zahnartige Elemente 15 vorgesehen. An der Innenseite der äußeren Welle 7 sind entsprechende nut- bzw. zahnartige Elemente 16 vorgesehen, die in Zahnzwischenräume zwischen den zahnartigen Elementen 15 des Endstücks 14 eingreifen. Die Zahnzwischenräume zwischen den zahnartigen Elemente 16 der äußeren Welle sind in Umfangsrichtung gesehen Größer als die Breite der zahnartigen Elemente 15 in Umfangsrichtung. Somit hat das Endstück 14 in Bezug auf die äußere Welle 7 ein vorgegebenes „Relativverdrehspiel“.
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Die 1e und 1f zeigen die Gelenkwelle im unbelasteten Zustand. Aus dem unbelasteten Zustand heraus kann die innere Welle 6 relativ zu der äußeren Welle 7 verdreht werden, wobei sich die zahnartigen Elemente 15 des Endstücks 14 in den Zahnzwischenräumen der äußeren Welle 7 drehen. Ab einem bestimmten übertragenen Drehmoment, das einem vorgegebenen Relativtorsionswinkel der beiden Quellen 6, 7 entspricht, gehen die zahnartigen Elemente 15 des Endstücks 14 auf Anschlag mit den zahnartigen Elementen 16 der äußeren Welle 7. Ab einem gewissen Relativtorsions-winkel wird somit Drehmoment von dem ersten Kardangelenk 4 über beide Wellen 6, 7 auf das zweite Kardangelenk 5 übertragen, wohin gegen bei kleineren Drehmomenten das Drehmoment ausschließlich über die innere Welle 6 übertragen wird. Die Gelenkwelle 1 ist somit bei geringen Lasten torsionsweich und bei Größeren Lasten, bei denen das Drehmoment über beide Wellen 6, 7 übertragen wird, torsionssteifer.
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Vollständigkeitshalber sei noch 1d erwähnt, die einen Querschnitt durch die Gelenkwelle 1 im Bereich zwischen dem ersten Ende 12 der äußeren Welle 7 und dem Endstück 14 der inneren Welle 6 zeigt.
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Zur Verringerung von Drehschwingungen kann vorgesehen sein, dass die innere Welle 6 aus einem drehschwingungsdämpfenden Werkstoff wie z. B. einem glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. „Drehschwingungsdämpfend“ bedeutet, dass bei einer Relativverdrehung der inneren Welle 6 gegenüber der äußeren Welle 7 und einer anschließenden Entlastung die innere Welle sich nicht vollständig wieder in den Ausgangszustand zurückdreht, sondern einen gewissen Restdrehwinkel beibehält. Die innere Welle 6 weist somit eine gewisse „Torsionshysterese“ auf, was drehschwingungsdämpfend wirkt.
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Die 2a-2f zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Gelenkwelle 1, die im Bereich ihres ersten Endes 2 und ihres zweiten Endes 3 sowie im Bereich des Endstücks 14 im Wesentlichen dem in den 1a-1f gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht.
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Im Unterschied zu dem in den 1a-1f gezeigten Ausführungsbeispiel weist bei dem in den 2a-2f gezeigten Ausführungsbeispiel die äußere Welle 7 jedoch ein zweites Ende 17 auf, das radial „aufgekröpft“ ist. Ähnlich wie in 1b dargestellt, weist das Endstück 14 einen Absatz 18 auf. Im Bereich zwischen dem Absatz 18 des Endstücks 14 und dem aufgekröpften zweiten Ende 17 der äußeren Welle 7 ist ein ringförmiges Reibelement 19 sowie ein Tellerfederpaket 20 und ein Distanzring 21 angeordnet. Das Tellerfederpaket 20, das sich über den Reibring 21 an dem Absatz 18 des Endstücks 14 abstützt, presst das ringförmige Reibelement 19 gegen das aufgekröpfte Ende 17 der äußeren Welle 7. Das aufgekröpfte Ende 17 der äußeren Welle 7 fungiert als Gegenreibelement in Bezug auf das Reibelement 19.
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Bei einer Relativverdrehung der inneren Welle 6 gegenüber der Welle 7 wird das Reibelement 19 mit dem Endstück 14 mitgedreht. Das Reibstück 19 reibt dabei an dem aufgekröpftem Ende 17 der äußere Welle 7 und wirkt somit drehschwingungsdämpfend. Das Reibelement 19 wirkt auch in umgekehrter Drehrichtung drehschwingungsdämpfend. Durch das Tellerfederpaket 20 ist stets eine hinreichende Vorspannung des Reibelements 19 sichergestellt.
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Zusätzlich zu der im Zusammenhang mit 2b erläuterten „Reibeinrichtung“ kann, wie im Zusammenhang mit 1b erläutert, eine innere Welle verwendet werden, die aus einem drehschwingungsdämpfenden Material hergestellt ist. Durch die Anwendung beider Dämpfungsmaßnahmen kann die Dämpfungswirkung erheblich erhöht werden.
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Vollständigkeitshalber sei auf 2c hingewiesen, die einen Querschnitt durch die Gelenkwelle im Bereich der Buchse zeigt. 2d zeigt einen Querschnitt im Bereich zwischen dem ersten Ende 12 der äußeren Welle 7 und dem Endstück 14. Die 2e und 2f zeigen analog den 1e und 1f jeweils einen Querschnitt durch die Gelenkwelle im Bereich des Endstücks 14.
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Die 3a-3e zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Gelenkwelle 1, bei der eine zusätzliche Federdämpfereinrichtung 22 vorgesehen ist. Analog zu den 1 und 2 weist die Gelenkwelle 1 an ihrem ersten Ende 2 ein erstes Kardangelenk 4 und an ihrem zweiten Ende 3 ein zweites Kardangelenk 5 auf. Im Bereich des zweiten Endes 3 entspricht die Gelenkwelle 1 dem in den 1a- 1f erläuterten Ausführungsbeispiel.
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Im Unterschied zu dem in den 1a-1f gezeigten Ausführungsbeispiel sind jedoch auf die Außenseite der äußeren Welle 7 elastische Elemente in Form von Gummielementen 23 aufvulkanisiert. Die Gummielemente 23 sind also fest mit der äußeren Welle 7 verbunden. Ferner ist eine Hülse 24 vorgesehen. Die Hülse 24 ist koaxial zu den beiden Wellen 6, 7 angeordnet und umschließt die äußere Welle 7 bis in den Mittelbereich der Gelenkwelle 1. Die Gummielemente 23 sind in die Hülse 24 eingepresst. Ein Ende 25 der Hülse ist fest mit dem Endstück 11 verbunden. Das Endstück 11 und die Hülse 24 können beispielsweise miteinander verschweißt sein. Ein weiterer Unterschied im Vergleich zu dem in den 1a-1f gezeigten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass bei dem in den 3a-3e gezeigten Ausführungsbeispiel die äußere Welle 7, oder genauer gesagt, das erste Ende 12 der äußeren Welle 7, nicht mit dem Endstück 11 verbunden ist.
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Wenn vom ersten Kardangelenk 4 über die Gelenkwelle 1 ein Drehmoment zum zweiten Kardangelenk 5 übertragen wird, so führt dies zunächst zu einer Verdrehung der inneren Welle 6 gegenüber der äußeren Welle 7. Aufgrund des Drehmoments wird zum einen unmittelbar die innere Welle im Bezug auf die äußere Welle 7 tordiert. Zusätzlich kommt es in Abhängigkeit von der Größe des Drehmoments zu einer gewissen elastischen Verformung der Gummielemente 23. Die Gummielemente 23 wirken dabei als zusätzliche Feder-/Dämpfereinrichtung. Wenngleich die Gummielemente 23 nicht auf die Innenseite der Hülse 24 aufvulkanisiert sind, sind sie doch so fest in den durch die äußere Welle 7 und die Hülse 24 gebildeten Ringraum eingepresst, dass im Normalbetrieb der Gelenkwelle keine Relativverdrehung der Hülse 24 im Bezug auf die radiale Außenseite der Gummielemente 23 stattfindet. Eine Relativverdrehung ist jedoch prinzipiell möglich, wodurch ein Überlastschutz sichergestellt ist.
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Vollständigkeitshalber sei auf die 3b-3e hingewiesen, die Querschnitte durch die Gelenkwelle 1 im Bereich der Buchse 10 bzw. des Gummielements 23 bzw. des Endstücks 14 zeigen.
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Sämtliche in den 1-3 gezeigten Anordnungen stellen eine Gelenkwelle 1 dar, die im Niedriglastbereich torsionsweich und im Hochlastbereich torsionssteifer als im Niedriglastbereich ist.
