DE102005032865B4

DE102005032865B4 - Kardanwelle

Info

Publication number: DE102005032865B4
Application number: DE102005032865A
Authority: DE
Inventors: Matthias Voigt
Original assignee: IFA MASCHB GmbH; IFA-MASCHINENBAU GmbH
Current assignee: IFA Technologies GmbH
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: US20070021222A1; CA2552040A1; DE102005032865A1

Abstract

Kardanwelle (1), mit einer ersten Welle (2) und einer zweiten Welle (3), die über ein Gleichlaufschiebegelenk (9) drehfest miteinander verbunden sind, und bei denen die zweite Welle (3) zwei separate Wellenabschnitte (4, 5) aufweist, welche bei Anwendung einer vorbestimmten Axialkraft in einem Verschiebeabschnitt (6) koaxial ineinander verschiebbar sind, wobei die axiale Verschiebbarkeit des Gleichlaufschiebegelenks (9) und des Verschiebeabschnitts (6) aufeinander abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits das Gleichlaufschiebegelenk (9) und andererseits Verbindungsmittel an den beiden Wellenabschnitten (4, 5) derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zu Beginn der Einwirkung einer vorbestimmten ersten Axialkraft (F1) zuerst das Gleichlaufschiebegelenk (9) entlang eines ersten Verschiebeweges (S1) bis auf Block zusammenschiebbar ist, dass anschließend bei Einwirken einer vorbestimmten zweiten Axialkraft (F2) die beiden Wellenabschnitte (4, 5) im Verschiebeabschnitt (6) über einen zweiten Verschiebeweg (S2) zusammenschiebbar sind, wobei die erste Axialkraft (F1) kleiner als sie zweite Axialkraft (F2) ist, und wobei die Verbindungsmittel als unter...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kardanwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Kardanwelle durch die US 2004/0157670 A1 bekannt. Sie wird vorzugsweise in ein Kraftfahrzeug unterhalb des Fahrgastraumes verbaut, wo diese zur Übertragung eines Antriebsdrehmomentes von einer Motor-Getriebe-Kombination zu Fahrzeugrädern dient. Das die beiden Wellen der Kardanwelle antriebstechnisch verbindende Gleichlaufschiebegelenk ermöglicht insbesondere den Ausgleich von unterschiedlichen Drehachsen der beiden Wellen sowie von im Betrieb entstehenden Axialbewegungen derselben.
Zudem ist es bekannt, bei Kardanwellen eine der beiden Wellen konstruktiv in zwei Teilwellen bzw. Wellenabschnitte aufzuteilen, die derartig ausgebildet und zueinander angeordnet sind, dass diese in einem Axialverschiebeabschnitt koaxial ineinander schiebbar, also teleskopisierbar sind. Diese Axialverschiebeeinheit ermöglicht es, dass die Kardanwelle bei einer unfallbedingten axialen Krafteinwirkung ihre wirksame Länge verkürzt, und so ein unerwünschtes Wegknicken, beispielsweise in Richtung zum Fahrgastraum vermeiden kann.
Bei Fahrzeugen mit einem Front-Quer-Einbau von Antriebsmotor und Getriebe treten im Vergleich zu längs eingebauten Antriebsaggregaten vergleichsweise große betriebsbedingte Bewegungen derselben in Fahrzeuglängsrichtung auf. Zudem kommt es bei solchen Fahrzeugen bei einem Frontal-Crash oft zu einer Drehung der Motor-Getriebeeinheit um deren Hoch- und/oder Querachse, so dass eine mit dem Getriebe antriebsverbundene Kardanwelle unter einem crash-bedingten Beugewinkel mit einer Kraftkomponente längs und eine Kraftkomponente quer zur Fahrzeuglängsrichtung beaufschlagt wird.
Selbst eine konventionelle Kardanwelle mit der beschriebenen Axialverschiebeeinheit neigt in einer solchen Situation zum Ausknicken, da dieselbe mit einer durch den Wirkwinkel des Fahrzeugaufpralls reduzierten Axialkraft beaufschlagt wird, welche nicht ausreicht, um die Axialverschiebeeinheit teleskopisierend zu aktivieren. Dadurch kann die Kardanwelle oder Teile derselben unerwünscht in den Fahrzeuginnenraum eindringen und dort Schaden anrichten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kardanwelle vorzustellen, die in Fahrzeugen mit Front-Quermotorisierung auch dann ihre axiale Länge unfallbedingt reduziert, wenn eine Drehung der Antriebsaggregate im Fahrzeug um deren Hoch- und/oder Querachse erfolgt.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Die Erfindung betrifft demnach eine Kardanwelle, mit einer ersten Welle und einer zweiten Welle, die über ein Gleichlaufschiebegelenk drehfest miteinander verbunden sind, und bei denen die zweite Welle zwei separate Wellenabschnitte aufweist, welche bei Anwendung einer vorbestimmten Axialkraft in einem Verschiebeabschnitt koaxial ineinander verschiebbar sind, wobei die axiale Verschiebbarkeit des Gleichlaufschiebegelenks und des Verschiebeabschnitts aufeinander abgestimmt sind.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass einerseits das Gleichlaufschiebegelenk und andererseits Verbindungsmittel an den beiden Wellenabschnitten derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zu Beginn der Einwirkung einer vorbestimmten ersten Axialkraft zuerst das Gleichlaufschiebegelenk entlang eines ersten Verschiebeweges bis auf Block zusammenschiebbar ist, dass anschließend bei Einwirken einer vorbestimmten zweiten Axialkraft die beiden Wellenabschnitte im Verschiebeabschnitt über einen zweiten Verschiebeweg zusammenschiebbar sind, wobei die erste Axial kraft kleiner als sie zweite Axialkraft ist, und wobei die Verbindungsmittel als unter Anwendung der zweiten Axialkraft abreißbare Schweißpunkte oder als gegeneinander gerichtete Reibflächen an den beiden Wellenenden ausgebildet sind.
Durch diesen Aufbau wird vorteilhaft bewirkt, dass eine axiale Verkürzung der Kardanwelle auch dann schon auftritt, wenn die Axialkraftschwelle für die aus den beiden Wellenabschnitten bestehende Axialverschiebeeinheit noch nicht erreicht ist. Entlang eines ersten Verschiebeweges reduziert diese Kardanwelle crash-bedingt ihre axiale Länge dadurch, dass das Gleichlaufschiebegelenk soweit zusammen geschoben wird, bis sich deren Gelenkinnenteil und Gelenkaußenteil axial berühren, also auf Block zusammengeschoben sind.
Sofern der axial wirksame Kraftanstieg auf die Kardanwelle weiter zunimmt, wird schließlich diejenige Axialkraftschwelle erreicht, ab der die Verbindungsmittel zwischen den beiden Wellenabschnitten mechanisch versagen und ein koaxiales Ineinanderschieben der beiden Kardanwellenabschnitte über einen zweiten Verschiebeweg ermöglichen.
Dadurch, dass der crash-bedingte Verschiebeweg in zwei Abschnitte aufgeteilt ist, die nach Überschreiben von zwei unterschiedlichen Axialkraftschwellen wirksam werden, ist einerseits ein Ansprechen der Kardanwelle auf eine geringe axiale Krafteinwirkung dieselbe axial verkürzend möglich. Zudem wird durch diese in Bezug auf den Unfallablauf schon frühe Verkürzung der Kardanwelle ein günstigerer Winkel zwischen dem Anbindungspunkt der Kardanwelle und dem unfallbedingt ausgelenkten Getriebe für den zweiten Verschiebeweg realisiert.
In einer Weiterbildung dieser Kardanwelle ist vorgesehen, dass eine erste Axialkraftschwelle F1 einen Wert zwischen 0 N und 1000 N, vorzugsweise zwischen 0 N und 500 N sowie äußerst bevorzugt zwischen 0 N und 250 N aufweist. Diese Werte wurden konkreten Versuchsergebnissen auf Prüfständen entnommen, so dass diese Werte auf eine drehmomentlose Kardanwelle bezo gen sind. Auch aus akustischen Gründen wird es bevorzugt, wenn die Axialkraftschwelle im Gleichlaufschiebegelenk gering einzustellen.
Hinsichtlich der zweiten Axialkraftschwelle F2, also derjenigen, ab der die beiden Wellenabschnitte koaxial ineinander schiebbar sind, wird bezogen auf eine drehmomentlose Kardanwelle einen Wert zwischen 1000 N und 20000 N, bevorzugt ein Wert zwischen 5000 N und 15000 N und äußerst bevorzugt ein Wert zwischen 10000 N und 12500 N eingestellt.
Hierzu ist mit Vorteil vorgesehen, dass die zweite Axialkraftschwelle F2, ab der die beiden Wellenabschnitte koaxial ineinander schiebbar sind, durch die Ausbildung der Verbindungsmittel einstellbar ist. Dazu können die Verbindungsmittel wie erwähnt als unter Anwendung der Axialkraft F2 abreißbare Schweißpunkte zwischen den beiden Wellenabschnitten und/oder als gegeneinander gerichtete Reibflächen an den beiden Wellenabschnitten ausgebildet sein.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Kardanwelle gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Verschiebeweg S1 des Gleichlaufschiebegelenks 9, bis dieses auf Block zusammen geschoben ist, maximal 50 mm in jede axiale Richtung beträgt. Ein erster Verschiebeweg S1 von 15 mm bis 25 mm wird für Personenkraftfahrzeuge bevorzugt.
Hinsichtlich des zweiten Verschiebeweges S2 wird es als vorteilhaft beurteilt, wenn dieser maximal 500 mm beträgt. Ein zweiter Verschiebeweg S2 von 200 mm bis 250 mm wird für Personenkraftfahrzeuge bevorzugt, wobei die beiden Wellenabschnitte im ungestörten Zustand mit einer Überdeckung von beispielsweise 120 mm ineinander stecken. Diese Überdeckungslänge ist aber von der Höhe des von der Kardanwelle zu übertragenden Drehmomentes abhängig.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Gleichlaufschiebegelenk und die Verbindungsmittel der beiden Wellenabschnitte der artig ausgebildet sind, dass sich die Kardanwelle bei Beugewinkel von 0° bis 10°, insbesondere von 0° bis 5° und vorzugsweise 0° bis 4° so wie eingangs geschildert verhält. Dadurch ist in ausreichendem Maße diejenige crash-bedingte Verlagerung des Getriebes im Fahrzeug berücksichtigt.
Schließlich ist es von Vorteil, wenn das Gleichlaufschiebegelenk und die Verbindungsmittel der beiden Wellenabschnitte derartig ausgebildet sind, dass das Gleichlaufschiebegelenk auch nach Einwirkung der Axialkraft F2 und einem koaxialen Ineinanderschieben der beiden Wellenabschnitte mechanisch intakt bleibt. Dadurch ist sichergestellt, dass sich das Gleichlaufschiebegelenk unfallbedingt nicht auflöst und dessen Teile am Fahrzeug keinen weiteren Schaden anrichten. Zudem ist es als positiv zu bewerten, dass ein solches Gleichlaufschiebegelenk aus der unfallbedingt defekten Kardanwelle entnommen und nach einer technischen Prüfung einer erneuten Verwendung in einer Kardanwelle zugeführt werden kann.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt
1 eine teleskopisierbare Kardanwelle gemäß der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
2 eine Querschnittsdarstellung der Kardanwelle gemäß 1 mit dem Verschiebeabschnitt, dem Gleichlaufschiebegelenk und dem Lagerbock für das Mittenlager, sowie
3 eine vergrößerte Detailabsicht der Kardanwelle gemäß 2 im Berech des Gleichlaufschiebegelenks und des Mittellagers.
Demnach zeigt 1 eine Kardanwelle 1 gemäß der Erfindung, die zwei Teilwellen umfasst und beispielsweise in einem Kraftfahrzeug mit einer Front- Quer-Anordnung des Fahrzeugantriebsmotors und des Getriebes genutzt wird. Eine erste Welle 2 ist mit der zweiten Welle 3 über ein an sich bekanntes Gleichlaufschiebegelenk 9 antriebswirksam verbunden. Im Bereich dieses Gleichlaufschiebegelenks 9 ist ein Lagerbock 10 zur Aufnahme eines Mittenlagers 16 angeordnet, mittels dem die Kardanwelle 1 in ihrem mittleren Abschnitt am Fahrzeugunterboden lagerbar ist.
Beide Wellen 2 und 3 sind an ihren freien Enden mit an sich bekannten Scheibengelenken 7 bzw. 8 verbunden. Der Pfeil 32 gibt die Vorwärts-Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges an, so dass das Scheibengelenk 8 mit der Ausgangswelle des Fahrzeuggetriebes und das Scheibengelenk 7 mit dem Eingang eines Differentialgetriebes verbindbar ist.
Die zweite Welle 3 ist zweiteilig ausgebildet und umfasst einen ersten Wellenabschnitt 4 sowie einen zweiten Wellenabschnitt 5, die im Bereich eines Verschiebeabschnitts 6 koaxial ineinander schiebbar sind, wenn eine ausreichend hohe Axialkraft F2 auf diese einwirkt. Um die gewünschte Axialverschiebbarkeit realisieren zu können, sind die zueinander weisenden Wellenabschnitte 4 und 5 der zweiten Welle 3 beispielsweise mit einer Axialverzahnung versehen, die zudem eine Übertragung eines Drehmomentes ermöglicht, eine gezielte Verschiebebewegung unterstützt und so ausgebildet ist, dass durch diese kinetische Energie in radiale Verformungsarbeit bzw. in Wärmeenergie umwandelbar ist.
Gemäß den 2 und 3 ist die Kardanwelle 1 derart konstruiert, dass das von dem Verschiebeabschnitt 6 wegweisende Ende des ersten Wellenabschnitts 4 der zweiten Welle 3 einen Aufnahmeabschnitt 17 aufweist, der zur Aufnahme eines Verbindungsabschnitts 19 des Außenteils 20 des Gleichlaufschiebegelenks 9 dient, und bei der dieser Aufnahmeabschnitt 17 sowie der Verbindungsabschnitt 19 des Außenteils 20 miteinander verschweißt sind (Schweißnaht 18). Zudem ist das Außenteil 20 des Gleichlaufschiebegelenks 9 hier glockenförmig ausgebildet. Es weist an seiner Innenseite Kugellaufbahnen 14 für Kugeln 13 auf, die in einem Käfig 22 gehalten sich auch in Kugellaufbahnen 21 des Gelenkinnenteils bewegen.
Dieses Gelenkinnenteil ist hier als Kugelnabe 30 ausgebildet, die auf einem Zapfenabschnitt 12 eines Wellenzapfens 24 der ersten Welle 2 aufgesteckt bzw. aufgepresst ist. Die Innenseite der Kugelnabe 30 und die Außenseite des Zapfenabschnitts 12 weisen dazu eine Steckverzahnung 27 auf. Zur axialen Sicherung der Kugelnabe 30 ist ein Sicherungsring vorgesehen, der nach dem Aufstecken der Kugelnabe 30 in eine Ringnut 26 am axialen Ende des Wellenzapfens 24 eingesetzt ist.
Der Wellenzapfen 24 ist mittels einer Verschweißung (Scheißnaht 31) mit dem gleichlaufgelenknahen Ende der ersten Welle 2 der Kardanwelle 1 fest verbunden. Nahe der ersten Welle 2 ist auf diesem Wellenzapfen 24 ein Lagerabschnitt 11 für das bereits eingangs erwähnte Mittellager 16 ausgebildet, welches hierbei ein Rillenkugellager ist. Während der Lagerinnenring dieses Mittenlagers 16 auf den Lagerabschnitt 11 aufgepresst ist, trägt der Lageraußenring über die Wälzkörper dieses Lagers den schon genannten Lagerbock 10, der am Fahrzeugunterboden befestigbar ist.
Ein weiteres Merkmal dieser Kardanwelle 1 ist, dass zwischen dem Lagerabschnitt 11 für das Mittenlager 16 und dem Zapfenabschnitt 12 für die Kugelnabe 30 ein Halteabschnitt 23 mit reduziertem Durchmesser ausgebildet ist, an dem eine Gelenkkappe 15 mit ihrem durchmesserkleineren Ende befestigbar ist. Das durchmessergrößere Ende dieser Gelenkkappe 15 ist auf der Außenseite des Gelenkauenteils 20 an dem Halteabschnitt 28 fixiert, wobei ein in einer Ringnut 25 eingesetzter O-Ring zur Abdichtung des fettgefüllten Innenraumes des Gleichlaufgelenks 9 sowohl radial als auch axial überdeckt ist.
Außerdem ist bei dieser Kardanwelle 1 vorgesehen, dass an der Stirnseite des Gelenkaußenteils 20 und der Innenseite der Gelenkkappe 15 eine dauerelastische Dichtung 29 vorhanden ist.
Von besonderer Bedeutung bei der Kardanwelle 1 gemäß der Erfindung ist, dass zwei Wellenabschnitte 4, 5 durch hier nicht im Einzelnen dargestellte Verbindungsmittel miteinander verbunden sind, welche im Normalbetrieb eine Axialverschiebbarkeit derselben unterbinden, jedoch bei einem Einwirken einer unfallbedingt erhöhten Axialkraft als axiale Sicherungsmittel mechanisch derart versagen, dass die beiden Wellenabschnitte 4, 5 koaxial ineinander schiebbar sind.
Gemäß der Erfindung ist diese Kardanwelle 1 nun so ausgebildet, dass das Gleichlaufschiebegelenk 9 und die Verbindungsmittel an den beiden Wellenabschnitten 4, 5 derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zu Beginn der Einwirkung einer vorbestimmten ersten Axialkraft F1 zuerst das Gleichlaufschiebegelenk 9 entlang eines ersten Verschiebeweges S1 bis auf Block zusammen geschoben wird, und dass anschließend bei Einwirken einer vorbestimmten zweiten Axialkraft F2 auf die Kardanwelle 1 die beiden Wellenabschnitte 4, 5 über einen zweiten Verschiebeweg S2 teleskopisieren, wobei die erste Axialkraft F1 kleiner als die zweite Axialkraft F2 ist.

1: Kardanwelle
2: Erste Welle
3: Zweite Welle
4: Erster Wellenabschnitt
5: Zweiter Wellenabschnitt
6: Verschiebeabschnitt
7: Erstes Scheibengelenk
8: Zweites Scheibengelenk
9: Gleichlaufschiebegelenk
10: Lagerbock des Mittenlagers
11: Lagerabschnitt für Mittenlager
12: Zapfenabschnitt zur Aufnahme der Kugelnabe des Gleichlaufschiebegelenks
13: Kugel des Gleichlaufschiebegelenks
14: Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil
15: Gelenkkappe
16: Mittenlager, Rillenkugellager
17: Aufnahmeabschnitt, Ringbund am ersten Wellenabschnitt
18: Schweißnaht
19: Verbindungsabschnitt am Außenteil des Gleichlaufschiebegelenks
20: Außenteil des Gleichlaufschiebegelenks
21: Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil
22: Käfig
23: Halteabschnitt auf dem Wellenzapfen 24
24: Wellenzapfen an der ersten Welle
25: Ringnut für O-Ring
26: Ringnut
27: Steckverzahnung
28: Halteabschnitt an dem Gelenkaußenteil
29: Dauerelastische Dichtung an der Stirnseite des Gelenkaußenteils
30: Kugelnabe des Gleichlaufschiebegelenks
31: Schweißnaht am Wellenzapfen
32: Fahrtrichtung
F1: Erste Axialkraft, Axialkraftschwelle
F2: Zweite Axialkraft, Axialkraftschwelle
S1: Erster Verschiebeweg
S2: Zweiter Verschiebeweg

Claims

Kardanwelle (1), mit einer ersten Welle (2) und einer zweiten Welle (3), die über ein Gleichlaufschiebegelenk (9) drehfest miteinander verbunden sind, und bei denen die zweite Welle (3) zwei separate Wellenabschnitte (4, 5) aufweist, welche bei Anwendung einer vorbestimmten Axialkraft in einem Verschiebeabschnitt (6) koaxial ineinander verschiebbar sind, wobei die axiale Verschiebbarkeit des Gleichlaufschiebegelenks (9) und des Verschiebeabschnitts (6) aufeinander abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits das Gleichlaufschiebegelenk (9) und andererseits Verbindungsmittel an den beiden Wellenabschnitten (4, 5) derart ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass zu Beginn der Einwirkung einer vorbestimmten ersten Axialkraft (F1) zuerst das Gleichlaufschiebegelenk (9) entlang eines ersten Verschiebeweges (S1) bis auf Block zusammenschiebbar ist, dass anschließend bei Einwirken einer vorbestimmten zweiten Axialkraft (F2) die beiden Wellenabschnitte (4, 5) im Verschiebeabschnitt (6) über einen zweiten Verschiebeweg (S2) zusammenschiebbar sind, wobei die erste Axialkraft (F1) kleiner als sie zweite Axialkraft (F2) ist, und wobei die Verbindungsmittel als unter Anwendung der zweiten Axialkraft (F2) abreißbare Schweißpunkte oder als gegeneinander gerichtete Reibflächen an den beiden Wellenenden (4, 5) ausgebildet sind.
Kardanwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Axialkraft (F1), bezogen auf eine drehmomentlose Kardanwelle, einen Wert zwischen 0 N und 1000 N, einen Wert zwischen 0 N und 500 N oder einen Wert zwischen 0 N und 250 N aufweist.
Kardanwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Axialkraft (F2), bezogen auf eine drehmomentlose Kardanwelle, einen Wert zwischen 1000 N und 20000 N, einen Wert zwischen 5000 N und 15000 N oder einen Wert zwischen 10000 N und 12500 N aufweist.
Kardanwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Axialkraft (F2), ab der die beiden zwei Wellenabschnitte (4, 5) koaxial ineinander schiebbar sind, durch die Ausbildung der Verbindungsmittel einstellbar ist.
Kardanwelle einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verschiebeweg (S1) des Gleichlaufschiebegelenks (9), bis dieses auf Block zusammengeschoben ist, maximal 50 mm in jede axiale Richtung beträgt.
Kardanwelle einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Verschiebeweg (S2) der beiden Wellenabschnitte (4, 5) maximal 500 mm beträgt.
Kardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichlaufschiebegelenk (9) und die Verbindungsmittel der beiden Wellenabschnitte (4, 5) derartig ausgebildet sind, dass sich die Kardanwelle bei Beugewinkel von 0° bis 10° oder von 0° bis 5° so verhält, wie in Anspruch 1 definiert.
Kardanwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichlaufschiebegelenk (9) und die Verbindungsmittel der beiden Wellenabschnitte (4, 5) derartig ausgebildet sind, dass das Gleichlaufschiebegelenk (9) nach Einwirkung der Axialkraft (F2) und einem koaxialen Ineinanderschieben der beiden Wellenabschnitte (4, 5) intakt bleibt.