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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schwingungsreduzierten Übertragen von
Drehmomenten zwischen zwei Wellenabschnitten in einer Wellenanordnung.
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Derartige
Vorrichtung sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise
eingesetzt, um Drehmomente in einer Lenksäule oder in einem Antriebsstrang
eines Kraftfahrzeugs zu übertragen.
Gerade in diesen Anwendungsfällen
ist es erforderlich, aufgrund der immer kleiner werdenden Bauräume und
steigenden Drehmomentanforderungen möglichst kompakte Drehmomentübertragungseinrichtungen
einzusetzen, die unter Dämpfung
von im Betrieb des Kraftfahrzeugs auftretenden Drehschwingungen
die Wellenabschnitte miteinander koppeln. Insbesondere wird an derartige Übertragungseinrichtungen
die Anforderung gestellt, die Drehmomente möglichst verlustfrei von einem
Wellenabschnitt auf den anderen Wellenabschnitt zu übertragen,
jedoch auftretende Vibrationen sowie Drehschwingungen hinreichend
abzudämpfen,
um beispielsweise an der Antriebsachse entstehenden Körperschall
nicht durch das Fahrzeug hindurch zu übertragen. Aus diesem Grund
werden Drehmomentübertragungseinrichtungen
mit Dämpfungselementen
versehen, die derartige Vibrationen und Drehschwingungen kompensieren
können.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum schwingungsreduzierten Übertragen
von Drehmomenten der eingangs bezeichneten Art bereitzustellen,
die bei einfacher Herstellung und Montage mit einer kompakten Bauweise
den gestiegenen Anforderungen an die Drehmomentübertragung gerecht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum schwingungsreduzierten Übertragen
von Drehmomenten zwischen zwei Wellenabschnitten in einer Wellenanordnung
mit zwei in einem Kopplungsbereich in Drehmoment übertragende
Wechselwirkung tretenden Übertragungsteilen
gelöst,
wobei jedes der Übertragungsteile
eine vorspringende Klauenformation aufweist, wobei sich die Klauenformationen
zur Drehmomentübertragung
in einem Kopplungsbereich axial überlappen,
wobei die Klauenformation wenigstens eines der Übertragungsteile zumindest teilweise
mit einem ersten Material ummantelt ist, und wobei zwischen den
Klauenformationen der beiden Übertragungsteile
eine schwingungsreduzierende Dämpfungseinrichtung
aus einem zweiten Material vorgesehen ist.
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Durch
die Verwendung von Übertragungsteilen
mit in axialer Richtung vorspringenden Klauenformationen bietet
sich die Möglichkeit,
auch betragsmäßig große Drehmomente
weitgehend verlustfrei zwischen den Wellenabschnitten zu übertragen.
Dabei bestehen vielfältige
konstruktive Möglichkeiten zur
Unterbringung einer Schicht aus einem ersten Material auf den Metallbauteilen
und einer schwingungsreduzierenden Dämpfungseinrichtung aus einem
zweitem Material. Durch das Aufbringen einer ersten Materialschicht
zwischen den Klauenformationen der Übertragungsteile und der schwingungsreduzierenden
Dämpfungseinrichtung
aus einem zweiten Material ergeben sich Abstimmungsmöglichkeiten
für die
Drehmomentübertragungseinrichtung.
Mit anderen Worten kann die Drehmomentübertragungseinrichtung durch
die erste Materialschicht auf ihr Einsatzgebiet, d. h. Antriebsstrang
oder Lenksäule, und
den jeweiligen Fahrzeugtyp bzw. an die Drehzahl- und Drehmomentanforderungen
abgestimmt werden.
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Ferner
kann für
die Klauen aus Metall eine einfach herstellbare Grundform gewählt werden.
Ist die Klauenform für
die Drehmomentübertragung
und die Dämpfung
von Drehschwingungen besonders auszugestalten, so dann dies mit
dem die Klauen ummantelnden ersten Material, z. B. Kunststoff, einfacher
erreicht werden. Außerdem
kann so eine aufwändige
Vorbehandlung des metallischen Klauengrundkörpers für ein anschließendes Anvulkanisieren
von Gummi vermieden werden, da das Gummimaterial an das erste Material,
das die Ummantelung bildet, anvulkanisiert wird.
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So
sieht eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung vor, dass die Klauenformationen der Übertragungsteile zumindest
teilweise mit Kunststoff, insbesondere mit einem hochfesten Polyamidwerkstoff,
als erstes Material ummantelt sind. Der Kunststoff, der die Klauenformationen
der Übertragungsteile
ummantelt, lässt
sich leicht in eine zur Drehmomentübertragung und zur Anbringung
der Dämpfungseinrichtung
aus einem zweiten Material bevorzugte Form bringen. Mit anderen
Worten werden für die
Grundform der Klauenformationen aus Metall einfach herzustellende
geometrische Formen gewählt und
speziell zur Drehmomentübertragung
und Dämpfung
von Drehschwingungen vorteilhafte Ausbildungen der Klauen werden
in der Folge aus Kunststoff ausgebildet. Dieser wird direkt auf
Metallbauteile aufgespritzt und kann einfach und kostengünstig in die
gewünschte
Form gebracht werden. Eine besonders einfache und kostengünstig herstellbare
Ausführungsform
der Erfindung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die beiden Übertragungsteile
im Kopplungsbereich im wesentlichen gleichförmig ausgebildet sind. Die
Verwendung von im wesentlichen identischen Übertragungsteilen führt zu einer
weniger komplizierten und damit kostengünstigeren Fertigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Hinsichtlich
der Dämpfungseinrichtung
ist vorgesehen, dass diese eine dämpfende Schicht aus einem zweiten
Material, insbesondere aus Gummi, zwischen den miteinander in Eingriff
bringbaren mit dem ersten Material ummantelten Klauenformationen
der Übertragungsteile
aufweist. Diese dämpfende
Schicht kann eine progressive Kennlinie aufweisen, d. h. bei zunehmender
Pressung ein abnehmendes Dämpfungsverhalten
mit zunehmender Steifigkeit zeigen. Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass jede der mit dem ersten Material ummantelten
Klauenformationen der Übertragungsteile
jeweils eine dämpfende
Materialschicht, insbesondere eine Gummischicht, aufweist. In diesem
Zusammenhang ist ferner zu erwähnen,
dass die zumindest eine dämpfende
Schicht aus dem zweiten Material ferner mit zusätzlichen Einlageteilen, insbesondere
aus Kunststoff, versehen werden kann. Durch diese Einlageteile wird
die dämpfende Schicht
aus dem zweiten Material weiter versteift, wodurch eine progressive
Dämpfungskennlinie
erreicht wird. Mit anderen Worten nähern sich die Einlageteile
bei zunehmender Pressung an die die Klauenformation ummantelnde
Kunststoffschicht an, wodurch die Steifigkeit der Drehmomentübertragungsvorrichtung
am Ende der Kompression der Gummischichten schnell ansteigt.
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Um
eine möglichst
progressive Kennlinie bei der Dämpfungseinrichtung
zu erreichen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die
Ummantelungen der Klauenformationen aus dem ersten Material an ihrem
in Richtung der Mittelachse laufenden Ende Ausbuchtungen aufweisen
und dass die dämpfende
Schicht aus dem zweiten Material im Bereich der Ausbuchtungen der
Ummantelung der Klauenformationen aus dem ersten Material eine bauchige
Verdickung aufweist. Die bauchigen Verdickungen der dämpfenden
Materialschicht im Bereich der Ausbuchtungen wirken als integrierter
Vordämpfer
innerhalb der auf Druck beanspruchten Dämpfungseinrichtung. Mit anderen
Worten werden im Belastungsfall zuerst im wesentlichen die Materialschichten
im Bereich dieser Verdickungen deformiert, wodurch sich ein gestuftes
Dämpfungsverhalten
der Dämpfungseinrichtung
ergibt.
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Erfindungsgemäß kann ferner
vorgesehen sein, dass zwischen den Übertragungsteilen ein Positionierstift
vorgesehen ist, mittels dem die Vorrichtung axial verspannbar ist.
Auf diesem Positionierstift sind die beiden Übertragungsteile der Drehmomentübertragungsvorrichtung
gelagert. Ferner kann auch eine zentrale Positionierhülse auf
den Positionierstift zwischen den Übertragungsteilen angeordnet
sein.
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Zur
radialspielfreien Lagerung der Übertragungsteile
auf dem Positionierstift sieht eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung vor, dass jedes der Übertragungstei le einen geschlossenen
Lagerring mit einer Lageröffnung
aufweist, die den axialen Positionierstift lagernd aufnimmt, wobei
der Lagerring integral mit der zugeordneten Klauenformation des
jeweiligen Übertragungsteils
verbunden ist und sich axial in einen Aufnahmebereich der Übertragungsteile
erstreckt. Hierzu ist ferner zu erwähnen, dass die Klauen der Klauenformation
des einen Übertragungsteils
in korrespondierenden Aufnahmeöffnungen
in den Aufnahmebereich des jeweils anderen Übertragungsteils aufgenommen
sind. Durch den geschlossenen Lagerring und die gleichzeitige Aufnahme
der Klauen der Klauenformation des einen Übertragungsteils in den korrespondierenden
Aufnahmeöffnungen
des anderen Übertragungsteils wird
eine Führung über die
gesamte Länge
der Drehmomentübertragungsvorrichtung
erreicht, wodurch unerwünschte
radiale Auslenkungen bzw. Beugungen aufgrund der Fliehkraft bei
hohen Drehzahlen, z. B. in einem Antriebsstrang, vermieden werden
können.
Zudem werden durch die Lagerringe mit den zugeordneten Lageröffnungen
die Lagerstellen an die Länge
der Drehmomentübertragungsvorrichtung
angepasst, wodurch eine unzweckmäßige Bildung
von Doppelgelenken vermieden werden kann.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Wellenanordnung mit einer voranstehend
beschriebenen Vorrichtung.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden
Figuren erläutert.
Es stellen dar:
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1A und 1B Schnittansichten
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2A und 2B Schnittansichten
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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In
den 1A und 1B ist
eine erfindungsgemäße Drehmomentübertragungseinrichtung jeweils
in Schnittansichten gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet.
So zeigt 1A einen achsenthaltenden Längsschnitt
entlang der Längsachse
A, wohingegen 1B einen achsorthognalen Schnitt
durch die Anordnung zeigt. 1B weist
den Schnittverlauf entlang der Schnittlinie I-I aus 1A auf.
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Wie
man in 1A und 1B erkennt, weist
die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungseinrichtung
ein erstes Übertragungsteil 12 und ein
zweites Übertragungsteil 14 auf.
Die beiden Übertragungsteile 12 und 14 überlappen
sich in einem Kopplungsbereich 16, wobei sie in diesem
Kopplungsbereich 16 im Querschnitt annä hernd kreissektorförmige Klauenformationen
aufweisen. Das Übertragungsteil 12 weist
insgesamt drei um jeweils 120° zueinander
versetzte Klauen 18, 20, 22 auf. Diese Klauenformation 18, 20 und 22 seht,
wie in 1 repräsentativ für die Klaue 18 gezeigt,
in axialer Richtung vor. Gleichermaßen weist das Übertragungsteil 14 eine
entsprechende Klauenformation 24, 26, 28 auf,
wobei in 1A nur die Klaue 28 gezeigt
ist. Die Klauenformation 24, 26, 28 ist
in gleicher Weise an dem zweiten Übertragungsteil 14 axial
vorspringend angeordnet und im Querschnitt annähernd kreissektorförmig ausgebildet.
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Ferner
erkennt man aus den 1A und 1B, dass
die Klauenformationen 18, 20, 22 und 24, 26, 28 der Übertragungsteile 12 und 14 mit
einer Schicht aus einem ersten Material 30 und 32 ummantelt
sind. Im Einzelnen erkennt man eine entsprechende Materialschicht 30 aus
Kunststoff am Übertragungsteil 12 und
eine korrespondierende Materialschicht 32 aus Kunststoff
am Übertragungsteil 14. Die
Klauen der Klauenformationen 18, 20, 22 und 24, 26, 28 werden
direkt mit dem Kunststoff zur Bildung der ersten Materialschichten 30, 32 umspritzt.
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Hierzu
ist zu erwähnen,
dass neben der Ummantelung mit Kunststoff auch andere Materialien
zur Ummantelung der Klauenformationen 18, 20, 22 und 24, 26, 28 herangezogen
werden können.
Durch diese Optionen bei der Materialwahl kann die Drehmomentübertragungsvorrichtung 10 an
ihre verschiedenen Einsatzgebiete in der Lenksäule oder dem Antriebsstrang
aber auch an verschiedene Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Anforderungen
an die Drehmomentübertragung
angepasst werden. So kann beispielsweise bereits durch die ersten
Materialschichten 30, 32 das Dämpfungsverhalten der Drehmomentübertragungsvorrichtung 10 in
gewünschter
Weise beeinflusst werden.
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Die 1A und 1B zeigen
zudem, dass die Klauenformationen 18, 20, 22 und 24, 26, 28 bzw. deren
Kunststoffschichten 30 und 32 im Kopplungsbereich 16 jeweils
mit einer Gummischicht 34, 36 überzogen sind. So erkennt man
an der Klauenformation 18, 20, 22 des Übertragungsteils 12 die
Gummischicht 34 und an der Klauenformation 24, 26, 28 des Übertragungsteils 14 eine
entsprechende Gummischicht 36. Die beiden korrespondierenden
Gummischichten 34, 36 bilden eine auf Druck beanspruchbare
Dämpfungseinrichtung
D.
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Die
Ummantelungen 30, 32 aus Kunststoff der Klauenformationen 18, 20, 22 und 24, 26, 28 weisen
an ihrem auf die Mittelachse M zulaufenden Ende Ausbuchtungen 38 auf.
An den Gummischichten 34, 36 sind im Bereich der
Ausbuchtungen 38 bauchige Verdickungen 40 vorgesehen,
die die Ausbuchtungen 38 ausfüllen und in Richtung der nächsten Klauen
einer Klauenformation 18, 20, 22 oder 24, 26, 28 in
Umfangsrichtung vorstehen. Die Ausbuchtungen 38 und die
bauchigen Verdickungen 40 wirken als in die auf Druck beanspruchte
Dämpfungseinrichtung
D integrierter Vordämpfer.
Im Belastungsfall, d. h. im Betrieb der Drehmomentübertragungsvorrichtung 10,
werden zuerst die Materialschichten im Bereich der bauchigen Verdickungen 40 deformiert,
bis es zu einer großflächigen Anlage
der beschichteten Klauenformationen kommt. Dadurch ergibt sich ein
gestuftes Dämpfungsverhalten
in der Dämpfungseinrichtung
D.
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Wie
sich insbesondere aus 1B deutlich erkennen lässt, weisen
die Klauen der Klauenformationen 18, 20, 22 und 24, 26, 28 aus
Metall eine einfache im wesentlichen regelmäßige Form auf, die durch verschiedene
Metallbearbeitungsverfahren einfach herzustellen ist. Die schwieriger
herzustellenden Ausbuchtungen 40 sind integral in den Schichten 30, 32 aus
Kunststoff vorgesehen. Da es sich bei dem Material für die Schichten 30, 32 um
Kunststoff handelt, können
derartige Ausformungen, wie z. B. die Ausbuchtungen 38,
beim Umspritzen der Klauenformationen 18, 20, 22 und 24, 26, 28 einfach
hergestellt werden. Ferner kann der Kunststoff für die ersten Materialschichten 30, 32 derart
gewählt
werden, dass die Gummischichten 34, 36 direkt
an den Kunststoff anbinden, ohne dass zusätzliche Haftvermittler benötigt werden,
wodurch sich die Herstellungskosten reduzieren lassen.
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Ferner
erkennt man aus den 1A und 1B, dass
die Übertragungsteile 12 und 14 jeweils
einen geschlossenen Lagerring 42 und 44 mit jeweils
einer Lageröffnung 46, 48 aufweisen,
die einen axialen Positionierstift 50 lagernd aufnehmen, wobei
die Lagerringe 42, 44 integral mit der zugeordneten
Klauenformation 18, 20, 22 oder 24, 26, 28 des jeweiligen Übertragungsteils 12 und 14 verbunden sind
und sich axial in einen Aufnahmebereich 52 und 54 der Übertragungsteile 12 und 14 erstrecken.
Zudem werden durch die Lagerringe 42, 44 mit den
zugeordneten Lageröffnungen 46, 48 die
Lagerstellen an die Länge
der Drehmomentübertragungsvorrichtung 10 angepasst,
wodurch eine unzweckmäßige Bildung
von Doppelgelenken vermieden und daraus resultierende Winkelversätze der Übertragungsteile 12, 14 unterbunden
werden können.
In den Aufnahmebereichen 52 und 54 der Übertragungsteile 12 und 14 sind
jeweils Aufnahmeöffnungen 56, 58, 60 (1B)
zur Aufnahme der mit der ersten Materialschicht 30, 32 ummantelten
Klauenformationen 18, 20, 22 oder 24, 26, 28 ausgebildet.
Hierzu wird auf 1B verwiesen, die eine Schnittansicht
entlang der durch den Aufnahmebereich 52 des Übertragungsteils 12 verlaufenden
Schnittlinie I-I zeigt.
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In 1B erkennt
man die Aufnahmeöffnungen 56, 58 und 60 in
dem Aufnahmebereich 52 des Übertragungsteils 12.
Es wird aus 1B zudem ersichtlich, dass der
Lagerring 42 die Aufnahmeöffnungen 56, 58 und 60 radial
innen abschließt.
Durch die geschlossenen Lagerringe 42, 44 der Übertragungsteile 12 und 14 sowie
die Aufnahmeöffnungen 56, 58, 60 wird
eine gegenseitige Führung
der Übertragungsteile 12 und 14 über die
gesamte Länge
der Drehmomentübertragungsvorrichtung 10 erreicht. Die Übertragungsteile 12 und 14 sind über die
Lageröffnungen 46, 48 der
geschlossenen Lagerringe 42, 44 über Lagerbuchsen 64, 66 auf
dem Positionierstift 50 reibungsarm und im Wesentlichen
radialspielfrei gelagert. Mit anderen Worten wird durch den geschlossenen
Lagerring 34 und die gleichzeitige Aufnahme der Klauen
der Klauenformation 24, 26, 28 des Übertragungsteils 14 in
den korrespondierenden Aufnahmeöffnungen 56, 58 und 60 des Übertragungsteils 12 eine
Führung über die
gesamte Länge der
Drehmomentübertragungsvorrichtung 10 erreicht,
wodurch unerwünschte
Auslenkungen bzw. Beugungen aufgrund der Fliehkraft bei hohen Drehzahlen,
z. B. beim Einsatz in einem Antriebsstrang, vermieden werden können.
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Ferner
ist zwischen den geschlossenen Lagerringen 42, 44 eine
zentrale Abstands- bzw.
Positionierhülse 68 vorgesehen,
die eine möglichst
axialspielfreie Lagerung der Übertragungsteile 12 und 14 auf
dem Positionierstift 50 ermöglichen soll.
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Die Übertragungsteile 12 und 14 weisen
in ihrem Endbereich einen rohrförmigen
Abschnitt 70, 72 auf. Über diesen rohrförmigen Abschnitt 70, 72 kann
die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungsvorrichtung 10 an
einen Wellenabschnitt angebunden werden, beispielsweise angeschweißt oder aufgepresst.
Es sind jedoch auch andere, lösbare Anwendungsmöglichkeiten
denkbar, beispielsweise unter Verwendung einer Hirtverzahnung, die
anstelle des rohrförmigen
Abschnitts 70, 72 an dem Übertragungsteil 12, 14 angeformt
werden kann.
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Im
Folgenden wird mit Bezug auf 2A und 2B (Schnitt
II-II aus 2A) ein zweites Ausführungsbeispiel
die Erfindung erläutert.
Zur Vermeidung von Wiederholungen und zur Vereinfachung der Beschreibung
werden gleichwirkende oder gleichartige Komponenten die selben Bezugszeichen verwendet,
wie im ersten Ausführungsbeispiel,
jedoch mit der Ziffer ”1” vorangestellt.
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Der
wesentliche Unterschied zu der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
liegt darin, dass die dämpfenden
Materialschichten 134, 136, die auf den ersten
Materialschichten 130, 132 aufgebracht sind, Einlageteile 174 aufweisen.
Diese Ein lageteile sind vorzugsweise aus dem selben Material hergestellt,
wie die die Klauenformationen 118, 120, 122 oder 124, 126, 128 ummantelnden
Materialschichten 130, 132. Durch die Einlageteile 174 aus Kunststoff
kann eine weitere Versteifung der dämpfenden Gummischichten 134, 136 bzw.
der Drehmomentübertragungsvorrichtung 110 erreicht
werden.
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Im
Belastungsfall werden die ummantelten Klauen 118, 120, 122 und 124, 126, 128 teilweise
auf Druck beansprucht. Bei dieser Druckbeanspruchung legen sich
die Einlageteile 174 in den Gummischichten 134, 136 aneinander
an und durch die ansteigende Belastung werdend die Gummischichten 134, 136 komprimiert.
Somit nähern
sich die Einlageteile 174 an die Kunststoffschichten 130, 132 an,
wodurch zum Ende der Kompression die Steifigkeit der Dämpfungsvorrichtung
D stark ansteigt und insgesamt eine progressive Dämpfungskennlinie
erreicht werden kann.
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Ferner
erkennt man insbesondere aus 2B, dass
die Ausbuchtungen 138 in den Kunststoffschichten 130, 132 nicht
so stark ausgeprägt sind
wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
Die bauchigen Verdickungen 140 reichen jedoch bis zu den Einlageteilen 174.