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Die
Erfindung betrifft ein Antriebsgelenk zur dreh- und axialfesten,
jedoch eine begrenzte Winkelbewegung zulassenden Verbindung zwischen
zwei Bauteilen, insbesondere im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs,
mit einer Innennabe als Gelenkinnenteil, eine Außennabe
als Gelenkaußenteil sowie zwischen diesen vorgesehenen
Drehmomentübertragungsmitteln als weitere Gelenkteile.
Weiter betrifft die Erfindung eine Gelenkwelle mit wenigstens einem
derartigen Antriebsgelenk.
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Ein
derartiges Antriebsgelenk ist aus der
WO 2005/056327 bekannt. Bei diesem
Antriebsgelenk wird bei Überschreiten einer definierten
Axialkraft die Innennabe und/oder Außennabe derart deformiert, dass
die Innennabe aus der Außennabe ausrasten kann. Diese Lösung
hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Allerdings ist
es hierzu erforderlich, dass die Materialeigenschaften der Innennabe und/oder
der Außennabe derart aneinander angepasst werden, dass
bei einer definierten Axialkraft, wie sie beispielsweise bei einem
Frontalzusammenstoß auftritt, die Gelenkteile ausrasten
können, so dass sich die mit dem Gelenk verbundenen Wellenteile
teleskopartig ineinanderschieben können. In einigen speziellen
Anwendungsfällen kann sich eine derartige Auslegung der
Gelenkteile als unvorteilhaft erweisen.
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Weiter
ist aus der
DE 199
43 880 C1 ein Antriebsgelenk einer Gelenkwelle bekannt,
wobei der Käfig des Antriebsgelenks als eine Sollbruchstelle ausgebildet
ist. Wirkt auf die Gelenkwelle bei einem Unfall eine hohe Axialkraft,
so wird der Käfig und damit das Antriebsgelenk zerstört.
Die Innennabe kann dann relativ zu der Außennabe verschoben
werden. Auch diese Lösung führt zu einer bei einem
Frontalzusammenstoß erwünschten axialen Verkürzung
der Antriebsord nung, die ein seitliches Wegknicken und insbesondere
ein Eindringen von möglicherweise rotierenden Teilen der
Antriebsanordnung in den Fahrzeuginnenraum vermeidet. Allerdings
treten bei der Zerstörung des Käfigs Bruchteile
auf, die im ungünstigsten Fall ebenfalls in den Fahrzeuginnenraum
eintreten und Passagiere verletzen können, insbesondere
aber das Antriebsgelenk sowie die Gelenkwelle blockieren, wodurch
weitere die Fahrzeuginsassen gefährdende Zustände
der Gelenkwelle auftreten können.
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Demgegenüber
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebsgelenk
der eingangs genannten Art bereitzustellen, das bei einem Unfall,
insbesondere einem Frontalzusammenstoß, eine besonders
hohe Sicherheit für die Fahrzeuginsassen bietet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch
gelöst, dass das Antriebsgelenk derart ausgebildet ist,
dass die Außennabe bei Überschreiten einer bestimmten
Axialkraft auf das Antriebsgelenk an zumindest einer Stelle derart
aufbricht, dass ein zumindest näherungsweise in radialer
Richtung verlaufender Riss in der Außennabe entsteht, der
ein Ausrasten der Innennabe aus der Außennabe ermöglicht.
Der beispielsweise bei einem Frontalzusammenstoß entstehende
Riss in der Außennabe muss dabei nicht in einer exakt zu
der Rotationsachse der Außennabe parallelen, radialen Ebene
verlaufen, sondern kann ein unregelmäßiges und/oder
zerklüftetes Bruchbild aufweisen. Die Außennabe
ist dabei vorzugsweise derart gestaltet, dass diese nur an einer
Stelle vollständig durchbricht und im Übrigen
sich allenfalls aufweitet und/oder einreißt. Die Außennabe
bleibt somit als ein Bauteil bestehen, so dass die Gefahr umher
fliegender und/oder den Antriebsstrang blockierender Bruchstücke
vermieden wird. Das Ausrasten der Gelenkteile ermöglicht,
dass die mit dem Gelenk verbundenen Bauteile, bspw. Teilabschnitte
einer Antriebswelle, teleskopartig ineinander geschoben werden.
Dies vermindert die Gefahr des Ausknickens einer solchen Welle erheblich.
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In
Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass
zumindest die Außennabe in einem diese wenigstens bereichsweise
umgreifenden Mitnehmergehäuse aufgenommen ist, wobei das
Mitnehmergehäuse derart ausgebildet ist, dass es sich während
des Ausrastens der Innennabe aus der Außennabe aufweitet.
Mit anderen Worten sorgt das Mitnehmergehäuse zusätzlich
dafür, dass die Außennabe nicht in viele kleine
Bruchstücke zerbricht bzw. hält diese Bruchstücke
derart zusammen, dass der Antriebsstrang nicht blockiert und die
Fahrzeuginsassen nicht gefährdet werden. Dabei wird es besonders
bevorzugt, wenn das Mitnehmergehäuse während des
Ausrastens der Innennabe aus der Außennabe nur elastisch
oder plastisch verformt wird, zumindest jedoch nicht zerbricht.
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Neben
einer geeigneten Materialauswahl für die Gelenkteile hat
es sich für die oben beschriebene Eigenschaft des Antriebsgelenks
als vorteilhaft erwiesen, wenn die Außennabe wenigstens
eine Sollbruchstelle aufweist. Eine solche Sollbruchstelle kann
durch eine zur Drehmomentübertragung dienende Profilierung
der Außennabe und/oder durch wenigstens eine Kerbstelle
der Außennabe gebildet sein. Zur Drehmomentübertragung
zwischen der Innennabe und der Außennabe sind vorzugsweise mehrere
in Laufbahnen der Außennabe und der Innennabe aufgenommene
und ggf. in einem Käfig geführte Kugeln vorgesehen.
Diese Laufbahnen bilden üblicherweise Stellen in der Außennabe
mit geringerem Querschnitt, so dass hierdurch Sollbruchstellen entstehen.
Weiter kann die Außennabe zur Drehmomentübertragung
mit dem Mitnehmergehäuse eine Rillen und/oder Vorsprünge
aufweisende Profilierung aufweisen, die ebenfalls geschwächte
und als Sollbruchstellen dienende Bereiche bildet. Wenn das Antriebsgelenk
als ein Gegenbahngelenk mit beidseits der Laufbahnen angeordneten
Käfigzentrierungsflächen ausgebildet ist, können
zwischen den entgegengesetzten Käfigzentrierungsflächen,
d. h. etwa mittig zwischen den Laufbahnen, Kerbstellen auf der Innenseite
der Außennabe ausgebildet sein, die ebenfalls als Sollbruchstellen
dienen können. Derartige Kerbstellen können auch
im Bahngrund der Laufbahnen für die Kugeln vorgesehen sein.
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Es
wird besonders bevorzugt, wenn die Außennabe derart ausgebildet
ist, dass sie sich zusätzlich zu dem wenigstens einen Riss
bei Überschreiten einer bestimmten Axialkraft auf das Antriebsgelenk derart
aufweitet, dass die Innennabe zusammen mit den Drehmomentübertragungsmitteln
aus der Außennabe ausrasten kann. Dies ermöglicht
es, dass das Antriebsgelenk sowie die ggf. mit diesem verbundenen
Bestandteile des Antriebsstrangs teleskopartig ineinander verschoben
werden können, wodurch ein Ausknicken und damit eine Gefährdung
von Fahrzeuginsassen während eines Unfalls vermieden wird.
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Um
ein Blockieren des Antriebsgelenks und des Antriebsstrangs bei einem
Unfall zu verhindern, wird es besonders bevorzugt, wenn das Gelenk
derart ausgebildet ist, dass die Innennabe und/oder die Drehmomentübertragungsmittel
zerstörungsfrei aus der Außennabe ausrasten. Unter ”zerstörungsfrei” wird
in diesem Zusammenhang sowohl ein Ausrasten der Innennabe bzw. der
Drehmomentübertragungsmittel verstanden, nach welchem diese
in einem etwa dem Betriebszustand entsprechenden unbeschädigten
Zustand vorliegen. Der Begriff ”zerstörungsfrei” schließt
in diesem Zusammenhang jedoch nicht kleinere plastische Verformungen
an der Innennabe und/oder den Drehmomentübertragungsmitteln
aus.
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Wenn
die Deformation der Außennabe sowie ggf. des Mitnehmergehäuses
bei Überschreiten der definierten Axialkraft bei einem
Unfall im Wesentlichen elastisch ist, kann sich der wenigstens eine
Riss in der Außennabe nach dem Ausrasten der Innennabe
aus der Außennabe wieder verschließen. Die Außennabe
bleibt somit auch nach dem Bruch zumindest näherungsweise
intakt und kann die sich ineinander schiebenden Bereiche des Antriebsstrangs
zusätzlich stabilisieren.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Außennabe
derart ausgelegt, dass diese bei Auftreten einer Axialkraft zwischen
etwa 7 KN und etwa 60 KN bricht. Besonders bevorzugt tritt das erfindungsgemäße
definierte Versagen der Außennabe bei einer axialen Kraft
von etwa 10 KN bis etwa 40 KN auf.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Idee kann insbesondere bei einem
als Gegenbahngelenk ausgebildeten Festgelenk realisiert werden.
Ein solches Gegenbahngelenk weist sowohl in der Innennabe als auch
in der Außennabe abwechselnd um den Umfang verteilte erste
und zweite Laufbahnen auf, deren Bahngrund sich in unterschiedlicher
axialer Richtung der Rotationsachse des Antriebsgelenks annähert.
Erste Laufbahnen der Innennabe sind dabei ersten Laufbahnen der
Außennabe derart zugeordnet, dass diese sich in die gleiche
Richtung öffnen. In jedem der Laufbahnpaare ist dabei genau eine
Kugel aufgenommen, die ein Drehmoment zwischen der Innennabe und
der Außennabe überträgt. Die Kugeln können
in einem Käfig, der zwischen der Innennabe und der Außennabe
angeordnet ist, geführt sein.
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Die
Erfindung betrifft weiter eine Gelenkwelle mit wenigstens einem
Antriebsgelenk der zuvor beschriebenen Art. Bei der Gelenkwelle
kann es sich insbesondere um eine Fahrzeuglängswelle handeln, die
aus zwei beispielsweise rohrartigen Wellenteilen zusammengesetzt
ist. Das erfindungsgemäße Antriebsgelenk kann
dabei als Mittengelenk zur Verbindung zwischen den beiden Wellenteilen
vorgesehen sein, so dass bei einem Unfall nach der Zerstörung des
Antriebgelenks die beiden Wellenteile teleskopartig ineinander geschoben
werden können. Hierzu weisen die beiden rohrförmigen
Wellenteile vorzugsweise unterschiedliche Durchmesser auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel
und die Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen schematisch:
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1 einen
Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Antriebsgelenk
und
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2 die
Außennabe des Antriebsgelenks nach 1 bei Überschreiten
einer definierten Axialkraft auf das Antriebsgelenk.
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Das
in 1 dargestellte Gelenk weist eine Innennabe 1,
eine Außennabe 2, einen zwischen der Innennabe 1 und
der Außennabe 2 geführten Käfig 3 sowie
ein Mitnehmergehäuse 4 auf. Die Innennabe 1 und
das Mitnehmergehäuse 4 sind dabei jeweils zur Anbindung
eines treibenden oder anzutreibenden Bauteils ausgebildet. So ist
die Innennabe 1 mit einem hülsenartigen Abschnitt 5,
der zur drehfesten Anbindung eines Wellenzapfens oder dgl. mit einer Verzahnung 6 versehen
ist, ausgestattet und das Mitnehmergehäuse 4 ist
mit einem Verbindungsbereich 7 versehen, über
welchen eine Hohlwelle (nicht dargestellt) mit dem Mitnehmergehäuse 4 verschweißt werden
kann.
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Der
Innendurchmesser des Verbindungsbereichs 7 des Mitnehmergehäuses 4 ist
dabei nicht kleiner als der Außendurchmesser der Innennabe 1. Somit
kann die Innennabe 1 bei einer Zerstörung des Gelenks
mit einem daran angebundenen Bauteil teleskopartig in den Verbindungsbereich 7 des
Mitnehmergehäuses 4 geschoben werden.
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Die
Außennabe 2 weist in den dargestellten Ausführungsformen
ein ringartiges inneres Element 8 sowie ein aus zwei Formteilen 9a, 9b bestehendes Dämpfungselement
aus einem elastisch verformbaren Material, bspw. Kunststoff, auf.
Dieses kann bei anderen Ausführungsformen auch ersatzlos
entfallen. Dabei umgreifen die beiden Formteile 9a, 9b des Dämpfungselements
das innere Element 8 von außen und an den Stirnseiten.
Das innere Element 8 und das Dämpfungselement
weisen zur Drehmomentübertragung jeweils eine Profilie rung
auf, wobei die Innenkontur des Mitnehmergehäuses 4,
das das Dämpfungselement mit dem inneren Element 8 umgreift,
mit einer entsprechenden Profilierung ausgebildet ist.
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Auf
der Innennabe 1 sind erste und zweite innere Laufbahnen 10 und
auf dem inneren Element 8 der Außennabe 2 sind
erste und zweite äußere Laufbahnen 11a, 11b ausgebildet.
Dabei sind die ersten Laufbahnen und die zweiten Laufbahnen einander paarweise
zugeordnet. Wie aus 2 ersichtlich, sind diese ersten
und zweiten Laufbahnpaare abwechselnd um den Umfang des Gelenks
verteilt angeordnet. In den dargestellten Ausführungsformen sind
acht Laufbahnpaare in einem Gelenk vorgesehen, so dass erste Laufbahnpaare
ersten Laufbahnpaaren gegenüberliegen und entsprechend
zweite Laufbahnpaare zweiten Laufbahnpaaren gegenüberliegen.
Daher sind in der Ansicht der 1 nur erste Laufbahnpaare
zu sehen.
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Die
Laufbahnpaare unterscheiden sich dadurch voneinander, dass sich
der Bahngrund der ersten Laufbahnen in 1 von links
nach rechts voneinander entfernt, d. h. die ersten Laufbahnpaare öffnen
sich in Richtung zu dem hülsenartigen Abschnitt 5.
Dagegen entfernt sich der Bahngrund der zweiten Laufbahnen in entgegengesetzter
Richtung voneinander, d. h. die zweiten Laufbahnpaare öffnen
sich in Richtung zu dem Verbindungsbereich 7. Das in 1 dargestellte
Kugelgelenk ist somit ein Gegenbahngelenk, d. h. ein Festgelenk,
das zwar ein Abwinkeln der Innennabe 1 gegenüber
der Außennabe 2 gestattet, eine axiale Verschiebung
dieser beiden Bauteile zueinander jedoch nicht zulässt.
In jedem der Laufbahnpaare ist eine Kugel 12 zur Drehmomentübertragung
aufgenommen. Die Kugeln sind dabei in dem Käfig 3 gehalten.
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Weiter
sind die in den Figuren gezeigten Gelenke jeweils mit einem Balg 14 ausgestattet,
der das Gelenk zwischen der Innennabe 1 und der Außennabe 2 auf
der Seite des hülsenartigen Abschnitts 5 abdichtet.
Auf der gegenüberlie genden Seite des Gelenks ist ein Deckel
vorgesehen, der in dem Mitnehmergehäuse 4 aufgenommen
ist.
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Das
Gelenk nach 1 besitzt zusätzlich eine
Kappe 13, die das Mitnehmergehäuse 4 umgreift.
Diese Kappe 13 dient als ein Befestigungselement zum Fixieren
des Mitnehmergehäuses 4, der beiden Formteile 9a, 9b des
Dämpfungselements, des inneren Elements 8 sowie
des Balgs 14 aneinander.
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Die
in 2 dargestellte Außennabe 2 bzw. deren
inneres Element 8 weist an dem Außenumfang Vertiefungen 15 zur
Drehmomentübertragung auf, die in eine entsprechende Profilierung
des Dämpfungselements (soweit vorhanden) bzw. des Mitnehmergehäuses 4 eingreifen.
Weiter sind auf der Innenseite der Außennabe 2 zwischen
den Laufbahnen 11a und 11b erste und zweite Käfigführungsflächen 16a, 16b vorgesehen.
In der dargestellten Ausführungsform sind sowohl zwischen
den Käfigzentrierungsflächen 16a, 16b als
auch im Bahngrund der Laufbahnen 11a, 11b jeweils
Kerben 17 bzw. 18 vorgesehen, die zusammen mit
den Wandstärkenverringerungen durch die Vertiefungen 15 bzw.
die Laufbahnen Sollbruchstellen des inneren Elements 8 der Außennabe 2 bilden.
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Wie
in 2 gezeigt, wird die Außennabe 2 bei
Auftreten einer axialen Kraft von beispielsweise etwa 10 KN bis
etwa 40 KN an einer Stelle definiert zu Bruch gebracht. Hierdurch
entsteht ein etwa radial verlaufender Riss 19 in der Außennabe.
Das in 2 nicht gezeigte Mitnehmergehäuse hält
die Außennabe in ihrer Position, so dass die Innennabe
durch die Außennabe durchtauchen kann. Eine Zerstörung
der Innennabe, des Käfigs und/oder der Kugeln oder gar ein
Blockieren des gesamten Gelenks tritt hierbei nicht auf. Der Riss 19 tritt
in dem in 2 gezeigten Augenblick der maximalen
auf das Gelenk wirkenden Kraft auf und öffnet sich nur
für eine kurze Zeit. Nach dem Durchgleiten der Innennabe
durch die Außennabe geht die Außennabe wieder
zusammen, so dass sich der Riss 19 zumindest teilsweise
wieder schließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/056327 [0002]
- - DE 19943880 C1 [0003]