DE102006038431A1

DE102006038431A1 - Elastische Kreuzgelenkkupplung

Info

Publication number: DE102006038431A1
Application number: DE102006038431A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Ing. Andrä; Gabor Dipl.-Wirtsch.-Ing. Andrä
Original assignee: E S T EN und SCHWINGUNGSTECHNI; E-S-T ENERGIE- und SCHWINGUNGSTECHNIK
Current assignee: Andrae Rainer Horst 65554 Limburg De
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-17
Also published as: DE102006038431B4

Abstract

In PKWs mit Heck- bzw. Allradantrieb wird heute in der Antriebswelle (zweiteilige Gelenkwelle) die sog. Gelenkscheibe (GS) eingesetzt, die eine Drei- oder Vierarmflanschanbindung auf der An- und Abtriebsseite enthält (6-Loch GS bzw. 8-Loch GS). Hierdurch werden aus kinematischen Gründen bei kardanischer Auslenkung der Halbwellen im Umlauf Drehungleichförmigkeiten erzeugt, die mit dem Drei- bzw. Vierfachen der Wellendrehzahl schwingen (3.O. bzw. 4.O.), was den Fahrkomfort stört. Das zur Verbindung der Halbwellen eingesetzte, metallische Kreuzgelenk erzeugt eine Drehzahlschwankung mit der doppelten Umlauffrequenz der Welle (2.O.). In der hier vorgeschlagenen Kupplung wird das Drehmoment im Vor- und Rückwärtstrieb über lediglich je zwei Kraftübertrager geführt, sodass die An- und Abtriebsflansche ein Kreuz bilden, die o. g. Oberwellen 3.O. bzw. 4.O. vermieden und diejenigen der 2.O. abgebaut werden können. Durch die getrennte Befestigung der Kraftübertrager an den Flanschen wird eine flexible Anpassung an die Anforderungen erreicht, die Einbringung eines Überlastschutzes sowie von Verliersicherungen wird möglich, die Kupplung baut gegenüber dem Serienstand kürzer und es werden Gewicht, Trägheitsmasse, Durchmesser und Kosten eingespart.

Description

1.1 Die Erfindung betrifft eine elastische Kreuzgelenkkupplung.
Es ist bekannt, Kupplungen für Antriebe durch die Aneinanderreihung einzelner Kupplungsglieder (Kraftübertrager) für die elastische Übertragung von Drehmomenten in der Industrie zu bilden. Diese Produkte sind jedoch alle nicht für den Einsatz in Großserie bei z. B. PKW's entwickelt, sondern werden in Klein- und Einzelfertigung hergestellt.
In diesen Anwendungen werden stets, um große Drehmomentkapazität zu erreichen, mindestens zwei Kraftübertrager mit einer Schraube am An- bzw. Abtriebsflansch befestigt, was zu einer großen Bauhöhe der Kupplung und in Folge der dann auftretenden, erhöhten Biegebelastung in den Befestigungsschrauben zu einer schweren Ausführung führt.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau solcher Konstruktionen.
Die heutigen elastischen PKW-Gelenkkupplungen stellen mit der sog. Gelenkscheibe eine integrierte, ringförmige Anwendung dar, in der ebenfalls mit einer Schraube mehrere, Kraftübertragungselemente (Kordschlingenpakete) an Flanschen befestigt werden. Die umlaufenden PKW-Anwendungen (Hecktrieb/Allradantrieb) sind stets in der sog. 6- bzw. 8-Loch-Lösung realisiert und erzeugen bei kardanischer Auslenkung (Beugewinkel) über die Befestigungsflansche (Dreiarm bzw. Vierarm) im Antriebsstrang (Gelenkwelle) eine Drehungleichförmigkeit mit einer Frequenz, die dem Dreifachen (3. Ordnung) bzw. Vierfachen (4. O.) der Wellendrehzahl entspricht.
1.2 Probleme beim Stand der Technik
Diese Drehungleichförmigkeit wird nur bei fluchtenden Wellenteilen zur Drehmoment-Ein- bzw. Ableitung im Antriebsstrang oder durch sog. Gleichlaufgelenke vermieden, die jedoch nicht elastisch sind und den importierten Körperschall durch die Gelenkwelle weitertransportiert.
Regelmäßig ist die PKW-Gelenkwelle (Kardanwelle) wegen der sonst zu niedrigen 1. Biegeeigenfrequenz und weil die elastischen Gelenkkupplungen keine großen Beugewinkel lebensdauerfest übertragen können als zweiteilige Welle ausgeführt, die ein metallisches Kreuzgelenk als Verbindungsglied der beiden Gelenkwellenteile enthält, welches den überwiegenden Teil der Fluchtabweichung der Wellenteile übernimmt und mit Hilfe eines Lagers an der Karosserie (Mittellager) befestigt ist, was eine empfindliche Stelle zur Körperschalleinleitung ist.
2 zeigt den Stand der Technik als Skizze mit 6- bzw. 8-Lochgelenkscheiben (a) auf der An- (b) und Abtriebsseite (c), den beiden Halbwellen (d; e), dem Mittellager (f) und dem metallischen Kreuzgelenk (g) mit den Knickwinkeln α, β und γ.
Das Kreuzgelenk produziert aus kinematischen Gründen eine Drehungleichförmigkeit mit doppelter Frequenz zur Drehzahl (Oberwelle 2. O.), die durch die elastischen Gelenkscheiben bei signifikanten Beugewinkeln nicht wesentlich abgebaut wird.
Demnach verbleiben regelmäßig am Abtrieb der Gelenkwellen Oberwellen (ΔU) der 2. und 3.(6-Loch-Gelenkscheibe) bzw. 4.(8-Lochgelenkscheibe) Ordnung der Wellendrehzahl, die zu Schwingungen des gesamten Fahrzeugaufbaues führen und die den Fahrkomfort beeinträchtigen (ΔU ≈ 2. + 3.(4.) O.).
Weiter wird die Drehungleichförmigkeit von 4-Zylindermotoren, die je nach Getriebeüber- oder Untersetzung etwa auch 2. Ordnung ist, nur ungenügend in der Gelenkwelle abgebaut.
1.3 Wirkung der Erfindung
Die hier vorgeschlagen elastische Gelenkkupplung erzeugt bei vorhandenem Beugewinkel, ähnlich wie das Kreuzgelenk aus kinematischen Gründen eine Oberwelle im Umlauf, die um Faktor 2 über der Drehfrequenz der Welle liegt (2. O.).
Durch entsprechende konstruktive Stellung der Kupplungsflansche und Verteilung der Knickwinkel kann mit dieser Kupplung ein weitgehend oberwellenfreier Umlauf des Wellenabtriebes und eine systematische Verbesserung des Fahrkomforts erreicht werden (ΔU ≈ 0).
Das Anordnungsprinzip ist in 3 dargestellt mit den neuen elastischen Kreuzgelenkkupplungen (A) an Stelle von Gelenkscheiben.
1.4 Lösung
Diese Probleme werden durch das in Anspruch 1 aufgeführten Merkmal (kreuzförmige Anordnung) gelöst.
1.5 Erreichte Vorteile

a) Die durch die Anwendung der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in der Vermeidung von Drehungleichförmigkeiten der 3. bzw. 4. Ordnung im Antriebsstrang und dem Abbau von Schwingungen der 2. O.
b) Die Kupplung ist modular aufgebaut und es können daher die unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungen für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt bzw. Schubbetrieb unabhängig erfüllt werden (z. B. unterschiedlicher Befestigungsdurchmesser für Zug- und Schubbelastung).
c) Im Vergleich zur sog. Gelenkscheibe wird die axiale Führung der eingesetzten Kordschlingen, da sie für jede einzelne Schlinge beidseitig sichergestellt wird, verbessert, was unter sonst gleichen Bedingungen zu einer erheblichen Lebensdauerverbesserung bzw. bei gleicher Lebensdauer zu einer niedrigeren Konstruktion führt. Die axiale Erstreckung der neuen Gelenkkupplung liegt im Vergleich zum Stand der Technik bei gleicher Drehmomentkapazität und Lebensdauer um mindestens 10% niedriger.
d) Außendurchmesser, Gewicht und polares Massenträgheitsmoment, demzufolge auch die Herstellungskosten werden gegenüber der heutigen Serienlösung signifikant reduziert.
e) Die kardanische Steifigkeit (Knickwiderstand) der neuen Kupplung liegt unter dem des heutigen Standes der Technik bei Gelenkscheiben, wodurch die Reaktionskräfte in den Lagern und Aufhängungen des Antriebstranges geringer werden, was dem Fahrkomfort dient.

1.6 Weitere Ausgestaltung der Erfindung
Eine für Montagezwecke besonders geeignete Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 beschrieben (rückseitig verbundene Kraftübertrager).
1.7 Beschreibung der elastischen Kreuzgelenkkupplung
In 4 ist die elastische Kreuzgelenkkupplung isometrisch und in 5 im Schnitt dargestellt.
Die Kupplung besteht aus einem Antriebsflansch (1), einem Abtriebsflansch (2), der mit (1) in Wellenachsenrichtung ein nicht notwendiger Weise rechtwinkliges Kreuz bildet, einer dem Stand der Technik entsprechenden Zentrierbuchse (3), zwei gegenüberliegenden Kraftübertragern (4) für die das Fahrzeug vorwärts treibenden Momente (Paar 1) und aus zwei Kraftübertragern (5) zur Übertragung der Rückwätsfahrt- bzw. Schubmomente (Paar 2). Die Kraftübertrager sind jeweils mit einer (Schrauben) Verbindung (6) am Antriebsflansch und am Abtriebsflansch befestigt.
Die radiale Führung der Kupplung mit dem am Abtriebsflanschende (7) üblicherweise angeschweißten Halbwellenrohr wird durch die Gleitverbindung zwischen der Zentrierung (3) und dem Führungszapfen (8) an der Getriebeausgangs-Welle (9) gewährleistet.
Die Kraftübertrager (4; 5) bestehen aus zwei metallischen Hohlzylinderstücken (41; 51), die mit der Verbindung (6) jeweils am Flansch (1; 2) befestigt sind und aus je einer um die Zylinder (41; 51) geführten 0- oder 8-förmigen Band- oder Kordanordnung (42; 52), die wiederum in Elastomer (43; 53) eingebettet und beidseitig durch Führungskörper (44; 54) axial auf den Zylindern geführt sind.
Die Anordnung bildet somit ein in axialer, kardanischer (Beugung) und in Umfangsrichtung elastisches Kreuz mit radialer Führung.
Die jeweilige Dimensionierung der Kraftübertrager wird durch die Anwendungsanforderungen bestimmt, so dass z. B. alle vier Übertrager gleich, aber auch für Vor- (4) und Rückwärtstrieb (5) verschieden dimensioniert und/oder auch auf verschiedenen Lochkreisen befestigt sein können.
Aus Montagegründen (wenig Montageteile, Verwechslungsgefahr, Falsch-Montage) ist es in der Massenfertigung zweckmäßig, wenigstens je zwei Kraftübertrager zu einer Montageeinheit zu verbinden. Dies kann z. B. durch Aneinandergießen der Elastomerhülle der Kraftübertrager an deren Rückseite (10), wie in 6 dargestellt, geschehen, aber auch durch separate Montagehilfen (11) (vgl. 7) oder durch Verbinden je zweier Führungskörper (12) (vgl. 8) geschehen.
In besonderen Fällen, z. B. bei Off-Road-Fahrzeugen kann es vorteilhaft sein, die Kupplung vor Überlastung durch eine Wegbegrenzung (13) zu schützen, die sich innerhalb von z. B. metallischen Verliersicherungen (14) befinden kann (in 9 ist nur die untere Verliersicherung dargestellt).
Hier wird der Freiraum zwischen den Kraftübertragern für die Einbringung einer solchen Anschlagsfunktion genutzt, der in unterschiedlichem Abstand (15; 16) zur Rückseite der Kraftübertrager positioniert sein kann und somit bei wählbarer Belastung die Drehmomentübertragung mit übernimmt.
Zur Optimierung dieser Anschlagsfunktion (Verschleiß, Eingriffscharakteristik) kann die Rückseite der Kraftübertrager besonderes gestaltet (17) werden und zum Schutz der Fadenkonstruktion eine Gleitoberfläche (18) (Schale) aus Kunststoff oder Metall erhalten (vgl. 10).
Als Verlierschutz können die Kraftübertrager über der Wegbegrenzung durch geeignete Sicherungselemente (14) überdeckt sein (vgl. 9).

Claims

Elastische Kreuzgelenkkupplung für umlaufende Antriebe mit einem Antriebs- (1) und einem Abtriebsflansch (2), einer Zentrierbuchse (3), zwei radial gegen über liegenden, elastische Kraftübertragern (4) für den Vorwärtstrieb (Paar 1) und zwei in Umfangsrichtung versetzt angeordneten elastischen Kraftübertragern (5) zur Übertragung der Rückwärtstrieb- und Schubmomente (Paar 2), dadurch gekennzeichnet, dass die Flansche (1 u 2) ein nicht notwendiger Weise rechtwinkliges Kreuz bilden und dass jeder der elastischen Kraftübertrager (4; 5) jeweils mit einer Verbindung (6) am Antriebs- und einer zweiten Verbindung (6) am Abtriebsflansch befestigt ist.
Elastische Kreuzgelenkkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertrager paarweise unterschiedlich dimensioniert und/oder unterschiedlich befestigt sind.
Elastische Kreuzgelenkkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Kraftübertragungspaare auf unterschiedlichem Lochkreis erfolgt.
Elastische Kreuzgelenkkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens jeweils zwei der Kraftübertrager (4; 5) in Umfangsrichtung elastisch (10) oder praktisch steif (11; 12) miteinander verbunden sind.
Elastische Kreuzgelenkkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kraftübertragern in Umfangsrichtung mindestens zwei gegenüberliegende, steife Wegbegrenzungen (13) enthalten sind, die in gleichem oder unterschiedlichem Abstand (15; 16) zu den benachbarten Rückseiten der Kraftübertrager angeordnet sein können.
Elastische Kreuzgelenkkupplung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Kontur auf der Kraftübertragerrückseite als Anlauffläche (17) der Wegbegrenzung (13) anforderungsgemäß ausgeführt ist und/oder eine Gleiteinlage (18) aus Metall oder Kunststoff enthält.
Elastische Kreuzgelenkkupplung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung über den Wegbegrenzern (13) Verliersicherungen (14) angeordnet sind, die mit Hilfe der Befestigungen (6) und den Hohlzylindern (41; 51) mit dem Flansch (1 oder 2) verbunden sind.