DE102006062822B4

DE102006062822B4 - Antriebswelle und Gleichlaufgelenk hierfür

Info

Publication number: DE102006062822B4
Application number: DE102006062822.5A
Authority: DE
Inventors: Claus Disser
Original assignee: Shaft Form Engineering GmbH
Current assignee: Shaft Form Engineering GmbH
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: JP2008530468A; KR20070114729A; US7972218B2; RU2399804C2; WO2006087115A1; CN101128681A; CN101368599A; FR2882013A1; US7806773B2; RU2007134376A; CN101128681B; US20100311508A1; KR101343732B1; FR2882013B1; US20080167134A1; JP2009162385A; ITMI20060273A1; JP5224822B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle, insbesondere eine Längswelle für Kraftfahrzeuge, die wenigstens einen Hohlwellenabschnitt und wenigstens ein Gleichlaufgelenk aufweist, dessen Außennabe mit dem Hohlwellenabschnitt verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle, insbesondere eine Längswelle für Kraftfahrzeuge, die wenigstens einen Hohlwellenabschnitt und wenigstens ein Gleichlaufgelenk aufweist, dessen Außennabe mit dem Hohlwellenabschnitt verbunden ist und das über einen Deckel gegenüber dem Hohlwellenabschnitt abgedichtet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein in einer derartigen Antriebswelle einsetzbares Gleichlaufgelenk.
Ein Gleichlaufgelenk der oben genannten Art für eine Antriebswelle ist aus der DE 102 09 933 A1 bekannt. Bei diesem als Gegenbahngelenk ausgebildeten Gelenk ist die Außennabe von einem Aufnahmeteil umgriffen, wobei zwischen dem Aufnahmeteil und der Außennabe eine Dichtscheibe bzw. ein Deckel vorgesehen ist, der das Eindringen von Schmutz in das Gelenk verhindern soll. Beispielsweise bei einem Frontalzusammenstoß wirken auch auf die Antriebswelle hohe Axialkräfte, durch welche das Gleichlaufgelenk zerstört werden kann, so dass die Innennabe in die mit der Außennabe verbundene Hohlwelle eindringen kann. Der Deckel, der lediglich zur Abdichtung des Gelenkes dient, bildet dabei keinen nennenswerten Widerstand, sondern lässt sich schon bei vergleichsweise geringen Kräften gemeinsam mit der Innennabe in die Hohlwelle einschieben.
Die US 4,224,808 A beschreibt ein Gleichlaufgelenk mit einer Innennabe, einer Antriebswelle sowie einer Außennabe. Das Kugelgleichlaufgelenk wird mittels eines flexiblen Faltenbalgs abgedichtet, dessen äußerer Bund auf dem Außenumfang der Außennabe festgelegt ist.
Eine vergleichbare Anordnung zeigt die DE 27 40 226 A1 , die ein Gleichlaufdrehgelenk mit einem äußeren Gelenkkörper und einem inneren Gelenkkörper beschreibt. Zur Befestigung eines Faltenbalgs weist das eine Ende des äußeren Gelenkkörpers auf seiner Außenfläche eine Ringstufe auf, die den äußeren Bund des Faltenbalgs aufnimmt. Der äußere Gelenkkörper ist mit einer als Antriebswelle ausgebildeten Rohrwelle verbunden, die den äußeren Gelenkkörper außenseitig umgreift und den Faltenbalg zwischen der Innenfläche des Rohrkörpers und der Außenfläche des äußeren Gelenkkörpers festgelegt.
Aus der DE 29 31 764 A1 ist ein Gleichlaufdrehgelenk mit einem äußeren Gelenkteil sowie einem inneren Gelenkteil bekannt. Das innere Gelenkteil schließt an eine Lenkwelle an. Der Gelenkkörper ist über einen Faltenbalg abgedichtet, dessen innerer Bund an der Lenkwelle festgelegt ist. Zur Befestigung des äußeren Bunds weist das äußere Gelenkteil auf seiner äußeren Mantelfläche eine flache Nut zur Befestigung des Faltenbalgs mit einem Spannband auf.
Die DE 19 638 779 C1 beschreibt ein Gleichlaufdrehgelenk mit einer Außennabe, einer Innennabe und einer Dichtungsmanschette. Die Dichtungsmanschette ist mit ihrem äußeren Bund auf der Außenfläche des Außenteils und mit ihrem inneren Bund auf einem Anschlusselement einer Welle festgelegt.
Die US 3,452,558 A1 beschreibt ein Kugelgleichlaufgelenk mit einer Dichtungsmembran, die mit ihrem inneren Bund an einer mit einer Innennabe verbundenen Welle festgelegt ist. Der äußere Bund der Dichtungsmembran ist in axialer Richtung beabstandet von einer Außennabe an einem ringförmigen Endelement, dass über Bolzen an der Außennabe festgelegt ist, befestigt.
In der DE 44 19 342 C1 ist ein Gleichlaufgelenk beschrieben, bei dem das Gelenkinnenteil mit einem Wellenzapfen verbunden ist. Die Abdichtung des Gleichlaufgelenks zu der Welle erfolgt über einen Faltenbalg, der an der äußeren Umfangsfläche der Außennabe mittels eines Montagerings festgelegt ist.
Die DE 103 44 703 A1 zeigt ein Gleichlaufgelenk mit einer Außennabe und einer Innennabe, die in einen hülsenartigen Abschnitt übergeht, an dessen Außenseite der innere Bund eines Faltenbalgs festgelegt ist. Der äußere Bund ist in axialer Richtung beabstandet von der Außennabe an einem die Außennabe umgreifenden Aufnahmeteil festgelegt.
Bei Kraftfahrzeugen wird heute unter anderem auch die Antriebswelle im Hinblick auf mögliche Crashbeanspruchungen ausgelegt, so dass die Antriebswelle bei einer bspw. unfallbedingt auftretenden hohen Axialkraft Energie aufnimmt und sich verformt. Die Verformung soll dabei möglichst derart erfolgen, dass die Antriebswelle nicht in den Innenraum des Fahrzeugs eindringen kann, um so das Verletzungsrisiko für die Insassen gering zu halten. Hierzu wird in der DE 42 27 967 A1 eine Antriebswelle vorgeschlagen, die eine Zone mit definiert reproduzierbarem plastischen Verformungsverhalten aufweist. Diese Zone ist derart ausgelegt, dass sich die Abschnitte der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle bereichsweise aufeinander auffalten und ineinander schieben. Bei dieser auch als Stülprohr bezeichneten Ausgestaltung einer Antriebswelle wird bei Übersteigen einer definierten Axialkraft die Antriebswelle gezielt unter hohem Energieabbau deformiert.
Falls eine derartig ausgebildete Antriebswelle ein oben beschriebenes Gleichlaufgelenk aufweist, kann bei einer unfallbedingt auftretenden hohen Axialkraft zunächst ein rascher Anstieg der Kraft bei einem geringen Verformungsweg auftreten, bis das Gleichlaufgelenk zerstört ist. Danach kann die Innennabe des Gleichlaufgelenks gemeinsam mit dem Deckel mit vergleichsweise geringer Kraft um eine bestimmte Wegstrecke in die Hohlwelle eingeschoben werden, bevor die Hohlwelle bspw. an dem Getriebe oder dem Differential anstößt. Erst dann wird sich die Welle unter großer Kraftaufnahme verformen. Durch diesen rasch aufeinander folgenden Anstieg, Abfall und erneuten Anstieg der Verformungskraft wirken auf die Fahrzeuginsassen wechselnde Beschleunigungen, die Verletzungen, wie bspw. ein Halswirbelsäulensyndrom oder gar schwerere Verletzungen hervorrufen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Antriebswelle der eingangs genannten Art sowie ein Gleichlaufgelenk zu schaffen, welche hinsichtlich des Crashverhaltens weiter optimiert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass bei einer Antriebswelle der Deckel und der Hohlwellenabschnitt derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Innennabe des Gleichlaufgelenks in Folge einer insbesondere unfallbedingt auf diese wirkende Axialkraft zumindest nicht wesentlich in den Hohlwellenabschnitt eindringen kann. Die zur Verformung der Antriebswelle und des Gleichlaufgelenks erforderliche Kraft steigt folglich rasch an, ohne für eine im Wesentlichen kraftlose Verschiebung der Innennabe in der Hohlwelle abzufallen. Bei der erfindungsgemäßen Antriebswelle kann folglich im Wesentlichen unmittelbar nach der Zerstörung des Gleichlaufgelenks die definierte Verformung der Antriebswelle erfolgen, so dass auf die Fahrzeuginsassen möglichst gleichmäßige Verzögerungen wirken.
Der Hohlwellenabschnitt der Antriebswelle weist dabei vorzugsweise eine Zone mit definiertem plastischen Verformungsverhalten auf. Insbesondere kann die Antriebswelle in der Art eines Stülprohres ausgebildet sein, bei welchem ein hoher Energieabbau während der Verformung erfolgt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiter durch ein Gleichlaufgelenk gelöst, bei welchem der Deckel eine Anschlagfläche definiert, die eine insbesondere unfallbedingte axiale Verschiebung der Innennabe relativ zu der Außennabe begrenzt. Damit der Deckel die im Betrieb erforderliche maximale Beugung der Innennabe relativ zu der Außennabe nicht beeinträchtigt, ist zwischen der Innennabe und dem Deckel vorzugsweise ein zumindest geringer Abstand vorgesehen. Hierdurch wird die axiale Verschiebung der Innennabe relativ zu der Außennabe auf bspw. weniger als 25 mm begrenzt. Um die Fahrzeuginsassen einer möglichst gleichmäßigen Verzögerung auszusetzen, wird es jedoch bevorzugt, wenn die maximale Verschiebung zwischen der Innennabe und der Außennabe durch den Deckel auf weniger als 15 mm, bspw. auf etwa 10 mm begrenzt wird.
Um nach einer Zerstörung des Gleichlaufgelenks in Folge einer hohen Axialkraft eine gezielte Deformation der Antriebswelle einzuleiten, muss der Deckel durch geeignete Wahl seiner Geometrie und/oder seines Materials einer von der Innennabe übertragenen Axialkraft von wenigstens 50 kN standhalten. Die Höhe dieser von dem Deckel aufzunehmenden Axialkraft ist von der Höhe der Kraft abhängig, bei welcher die gezielte Deformation der Antriebswelle einsetzt. Es ist daher häufig erforderlich, dass der Deckel einer Axialkraft von über 100 kN, vorzugsweise von über 150 kN oder von etwa 250 kN standhält.
Um den Weg, den die Innennabe relativ zu der Außennabe verschoben werden kann, zu begrenzen, weist der Deckel vorzugsweise einen der Innennabe zugewandten Vorsprung auf, der die Anschlagfläche für die Innennabe bildet. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann der Deckel zur Versteifung mit Sicken, Rippen, Aufkantungen oder dgl. versehen sein. Wenn der Deckel nicht bereits durch seine Form und/oder Kontur so ausgelegt ist, dass er einer hohen Axialkraft standhalten kann, kann der Deckel auch aus einem hochfesten Metall oder aus einem bspw. faserverstärkten Kunststoff bestehen.
Um den Deckel in geeigneter Weise an der Außennabe und/oder an der Antriebswelle zu fixieren, kann die Außennabe wenigstens bereichsweise von einem insbesondere einen Hohlwellenabschnitt bildenden Aufnahmeteil drehfest umgriffen sein, wobei in diesem Aufnahmeteil der Deckel gehalten ist. Selbstverständlich kann der Deckel auch mit der Außennabe und/oder der Antriebswelle verschweißt oder in anderer geeigneter Weise verbunden werden. Hierzu kann das Aufnahmeteil, die Außennabe und/oder die Antriebswelle einen Absatz, eine Einkerbung oder dgl. aufweisen, an welchen der Deckel anliegen kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Innennabe insbesondere einstückig mit einer Hülse verbunden, die eine Innenverzahnung zur drehfesten Verbindung mit einem Getriebe- oder Differentialzapfen aufweist. Die Innennabe lässt sich bei dieser Ausgestaltung unmittelbar auf einen Zapfen der Getriebeausgangs- oder der Differentialeingangswelle aufstecken, wodurch die Antriebswelle nicht nur leichter montierbar ist, sondern auch optimal zentriert wird.
Weiter wird es bevorzugt, wenn das Gleichlaufgelenk bspw. ähnlich dem in der DE 102 09 933 A1 beschriebenen Aufbau als ein Gegenbahngelenk ausgebildet ist, bei welchem der Käfig in der Außennabe durch Käfigzentrierungsflächen geführt ist.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Antriebswelle bzw. das Gleichlaufgelenk sind nicht nur bei Längswellen in Kraftfahrzeugen einsetzbar, sondern eignen sich bspw. auch für die Montage in einer Seitenwelle. Da die im Betrieb erforderliche maximale Beugung eines Gelenks in einer Seitenwelle meist deutlich über der für eine Längsantriebswelle erforderlichen Beugung liegt, ist der Abstand des Deckels zu den Gelenkteilen, wie insbesondere der Innennabe, so zu wählen, dass eine ausreichend große Beugung des Gelenks von bspw. etwa 10° bei einer Längswelle oder etwa 20° bei einer Seitenwelle ermöglicht wird.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Die einzige Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk 1, welches eine Innennabe 2, eine Außennabe 3 und zur Drehmomentübertragung zwischen der Innennabe 2 und der Außennabe 3 in einem Käfig 4 aufgenommene Kugeln 5 aufweist.
Das Gleichlaufgelenk 1 ist als ein Gegenbahngelenk ausgebildet, so dass sowohl die Innennabe 2 als auch die Außennabe 3 jeweils abwechselnd um den Umfang verteilt angeordnete erste Innenlaufrillen bzw. erste Außenlaufrillen und zweite Innenlaufrillen bzw. zweite Außenlaufrillen aufweisen. Die in der Figur dargestellten ersten Innenlaufrillen 2a bilden zusammen mit den ersten Außenlaufrillen 3a ein Laufrillenpaar, in welchem jeweils eine Kugel 5 aufgenommen ist.
In der Innenfläche der Außennabe 3 sind zwischen den Außenlaufrillen paarweise aneinander angrenzende erste und zweite Käfigzentrierungsflächen ausgebildet, von denen in der Figur lediglich die ersten Käfigzentrierungsflächen 3b erkennbar sind. Die ersten Käfigzentrierungsflächen 3b grenzen jeweils an die ersten Außenlaufrillen 3a an, während die zweiten Käfigzentrierungsflächen an die zweiten Außenlaufrillen angrenzen. Die ersten und zweiten Käfigzentrierungsflächen verlaufen von jeweils gegenüberliegenden Enden der Außennabe 3 in entgegengesetzter Richtung hinterschnittfrei und nähern sich dabei der Außennabenachse an. Durch die derart ausgebildeten Käfigzentrierungsflächen kann der Käfig 4 in der Außennabe 3 geführt werden.
Die Innennabe 2 ist als ein hülsenartiges Bauteil ausgebildet, auf dessen Außenfläche die Innenlaufrillen vorgesehen sind, und dessen Innenfläche bereichsweise mit einer Innenverzahnung 6 versehen ist, so dass die Innennabe 2 bspw. auf eine Getriebeausgangs- oder eine Differentialeingangswelle aufgesteckt werden kann.
Die Außennabe 3 ist in der dargestellten Ausführungsform von einem Aufnahmeteil 7 umgriffen, welches drehfest mit der Außennabe 3 verbunden ist. Auf der der Innennabe 2 abgewandten Seite bildet das Aufnahmeteil 7 einen Hohlwellenabschnitt 8 der einstückig in eine Antriebswelle übergehen kann oder in geeigneter Weise, bspw. durch eine Verschweißung, mit dieser verbunden sein kann. Im Übergang zwischen dem Aufnahmeteil 7 und dem Hohlwellenabschnitt 8 ist ein stufenartiger Absatz 9 ausgebildet, in welchen ein Deckel 10 eingesetzt ist. Der Deckel 10 dichtet dabei das Gleichlaufgelenk 1 gegenüber dem Hohlwellenabschnitt 8 ab.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist der Deckel 10 mit einem zentralen Vorsprung 11 versehen, der sich in Richtung auf die Innennabe 2 erstreckt. Zwischen diesem Vorsprung 11 des Deckels 10 und der Innennabe 2 verbleibt ein Spalt 12, so dass die Innennabe 2 relativ zu der Außennabe 3 verschwenkt werden kann, ohne dass die Innennabe 2 an den Deckel 10 anstößt. Der Spalt 12 ist jedoch möglichst gering gewählt und beträgt bspw. etwa 10 mm. Zur Versteifung sind in den Deckel 10 mehrere radial verlaufende Sicken 13 eingebracht.
Wenn bspw. in Folge eines Unfalls auf das Gleichlaufgelenk 1 eine in der Figur durch die Pfeile angedeutete Axialkraft wirkt, wird das Gelenk zerstört, so dass die im Betriebszustand fest in der Außennabe 3 gehaltene Innennabe 2 in axialer Richtung frei in der Außennabe 3 verschiebbar wird. Die Innennabe 2 wird in Folge der Axialkraft um die durch den Spalt 12 definierte Strecke verschoben, bis die Innennabe 2 an dem Vorsprung 11 des Deckels 10 anliegt, der somit eine Anschlagfläche für die Innennabe 2 bildet. Aufgrund der hohen Steifigkeit des Deckels 10 und da dieser in dem Absatz 9 in axialer Richtung festgehalten ist, kann die Innennabe 2 nicht weiter in den Hohlwellenabschnitt 8 eindringen. Wenn die auf das Gleichlaufgelenk 1 wirkende Axialkraft weiter ansteigt, verformt sich folglich die nicht dargestellte Antriebswelle definiert bspw. in der Art eines Stülprohres. Hierbei wird eine hohe Energie abgebaut.
Über die Kontur, das Material und/oder die Form des Deckels 10 kann folglich sowohl der maximale von der Innennabe 2 zurücklegbare Verschiebeweg als auch die Kraftaufnahme des Deckels 10 definiert festgelegt werden. So kann der Deckel 10 bspw. eine unfallbedingte Axialkraft von etwa 150 kN bis 200 kN abstützen, ohne dass die Innennabe 2 in den Hohlwellenabschnitt 8 eindringen kann.
Die in der Figur dargestellte Ausgestaltung des Deckels 10 mit dem Vorsprung 11 ist so gewählt, dass die Innennabe 2 die für den Betrieb des Gleichlaufgelenks erforderliche Beugung relativ zu der Außennabe 3 ausführen kann, ohne dass die Innennabe 2 mit dem Vorsprung 11 in Kontakt tritt. Eine darüber hinausgehende Beugung der Innennabe 2 relativ zu der Außennabe 3 kann jedoch durch ein Anschlagen der Innennabe 2 an dem Vorsprung 11 des Deckels 10 begrenzt werden, so dass die Kugeln 5 bspw. während der Montage durch eine zu starke Überbeugung des Gelenkes nicht aus den Laufrillen herausfallen können.
Alternativ zu der dargestellten Kontur des Deckels 10 und des Vorsprungs 11 können beliebige andere Gestaltungen gewählt werden, bspw. mit einem im Querschnitt rechteckigen Vorsprung, solange hierdurch der bei einer bspw. unfallbedingten hohen Axialkraft auftretende maximale Verschiebeweg der Innennabe 2 möglichst kurzgehalten wird.

Claims

Gleichlaufgelenk mit Dichtmitteln umfassend: eine Außennabe (3) des Gleichlaufgelenks (1) mit Außenlaufrillen (3a), eine Innennabe (2) mit Innenlaufrillen (2a), drehmomentübertragende Kugeln (5), die in Paaren aus jeweils einer Außenlaufrille (3a) und einer Innenlaufrille (2a) geführt sind und einen Käfig (4) mit Käfigfenstern, in denen die Kugeln (5) aufgenommen sind und in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden; eine Hülse, die mit der Innennabe (2) fest verbunden oder einstückig mit der Innennabe (2) hergestellt ist und koaxial zu dieser angeordnet ist; Dichtmittel mit einem Aufnahmeteil (7), das mit der Außennabe (3) drehfest verbunden ist, wobei die Dichtmittel eine Dichtungsmembran aufweisen, die mit einem äußeren Bund mit der Außennabe (3) fest verbunden ist und die mit einem inneren Bund mit der Hülse abdichtend verbunden ist, und mit einem Sicherungsring zum Fixieren des inneren Bundes auf der Hülse; wobei die Hülse eine umlaufende Ringnut aufweist, in welche die Dichtungsmembran mit einem angeformten inneren Ringwulst eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeteil (7) die Außennabe (3) in axialer Richtung umgreift und den äußeren Bund der Dichtungsmembran zwischen dem Aufnahmeteil (7) und der Außennabe (3) in axialer Richtung seitlich an der Außennabe (3) festlegt.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsring in Form eines umlaufend geschlossenen Drahtrings gestaltet ist, der auf einer Außenfläche des inneren Bundes der Dichtungsmembran aufsitzt.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bund der Dichtungsmembran an seiner Außenfläche eine umlaufende Ausnehmung aufweist, in die der Sicherungsring formschlüssig eingreift.
Gleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeteil (7) eine umlaufende, nach innen offene Bördelung aufweist, in welche die Dichtungsmembran mit ihrem äußeren Bund formschlüssig eingreift.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeteil (7) derart gestaltet ist, dass die Bördelung, in die der äußere Bund formschlüssig eingreift, zu einer Gelenkmittelebene einen geringen axialen Abstand aufweist, als der innere Bund im Anbindungsbereich zum Membranteil.
Gleichlaufgelenk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeteil die Außennabe in axialer Richtung beidseitig umgreift.
Gleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse in einem axial benachbart zur Ringnut liegenden Abschnitt ein Außengewinde zur Aufnahme einer Überwurfmutter aufweist
Gleichlaufgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranteil zwischen dem inneren Bund und dem äußeren Bund wellenförmig gestaltet ist.
Antriebswelle mit einem Gleichlaufgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Dichtungsmembran abgekehrten Seite des Gleichlaufgelenks (1) eine Dichtung in Form eines in einem Hohlwellenabschnitt (8) der Antriebswelle eingesetzten Deckels (10) vorgesehen ist.