DE102010006012A1 - Universal joint fork-drive shaft for motor car, has reinforcing insert e.g. solid cylinder or pipe, axially oriented along longitudinal axis of shaft and extended by part of cylindrical section and/or by part of shoulder - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine gewichtsoptimierte verstärkte Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle für Kraftfahrzeuge.The invention relates to a weight-optimized reinforced universal joint drive shaft for motor vehicles.
Um durch Gewichtsreduktion eines Kraftfahrzeuges eine Kraftstoffeinsparung und damit einen verminderten Kohlendioxid-Ausstoß bei möglichst hohen Fahrleistungen zu erzielen, wird angestrebt, möglichst Komponenten im Kraftfahrzeugbau durch Leichtbauweise zu realisieren. Dabei ist die mechanische Festigkeit und Belastbarkeit der jeweiligen Fahrzeugkomponente zu berücksichtigen. So werden etwa an Bauteile in Bereichen mit kritischer Bauteilgeometrie eingesetzt, wie etwa eine Gelenkwelle mit Kreuzgelenkgabel, die als Teil des Antriebsstrangs im Hochleistungsbereich zum Einsatz kommt, besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit gestellt, so dass eine Fertigung solcher Bauteile in Leichtbauweise eine Herausforderung darstellt.In order to achieve a reduction in fuel consumption and thus a reduced carbon dioxide emissions at the highest possible performance by reducing the weight of a motor vehicle, the aim is to realize possible components in the automotive industry by lightweight construction. The mechanical strength and load capacity of the respective vehicle component must be taken into account. For example, components used in areas with critical component geometry, such as a cardan shaft with a universal joint fork, which is used as part of the drive train in the high-power sector, set particularly high demands in terms of strength, so that production of such components in lightweight construction is a challenge.
Aus dem Stand der Technik ist mit der
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine gewichtsoptimierte Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle mit gleichzeitig einer bezüglich ihrer Bauteilgeometrie verbesserten Festigkeit bereitzustellen.Based on this prior art, it is desirable to provide a weight-optimized universal joint fork hinge shaft with at the same time an improved strength with respect to its component geometry.
Diese Aufgabe wird durch eine Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.This object is achieved by a universal joint yoke PTO shaft with the features of
Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Gelenkwelle mit Kreuzgelenkgabel, die an einem – oder beiden – Enden eines zylindrischen Wellenabschnitts einen Gelenkkopf aufweist, der aus zwei Gabelschenkeln besteht, die über eine Schulter, respektive über einen schulterartigen Anschlussbereich des Gelenkkopfs mit dem zylindrischen Abschnitt verbunden sind. Um nun das Gewicht der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle zu reduzieren, ohne dass die Festigkeit an der Schulter verringert wird, wird in die Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle ein Verstärkungseinleger integriert, der axial entlang der Längsachse der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle orientiert ist und der sich durch zumindest einen Teil des zylindrischen Abschnitts und/oder durch zumindest einen Teil der Schulter erstreckt.A first embodiment of the invention relates to a propeller shaft with universal joint fork, which at one - or both - ends of a cylindrical shaft portion has a condyle, which consists of two fork legs, via a shoulder, respectively via a shoulder-like connection region of the condyle to the cylindrical portion are connected. In order to reduce the weight of the kingpin shaft without reducing the strength at the shoulder, a reinforcing insert oriented axially along the longitudinal axis of the universal joint fork pivot shaft and integrated through at least a part of the universal joint is incorporated into the kingpin cylindrical portion and / or extending through at least a portion of the shoulder.
Der Verstärkungseinleger kann in einer Ausführungsform zylindrisch geformt sein und je nachdem, ob die Gelenkwelle als Hohl- oder Vollwelle vorgesehen ist, als Vollzylinder oder rohrförmig ausgebildet sein, wobei die favorisierte Leichtbauvariante den rohrförmigen Verstärkungseinleger aus Materialersparnisgründen vorsieht.The reinforcing insert can be cylindrically shaped in one embodiment and depending on whether the propeller shaft is provided as a hollow or solid shaft, be formed as a solid cylinder or tubular, the favored lightweight variant provides the tubular reinforcing insert for reasons of material savings.
Durch die Fertigungstechnik der Sandwichbauweise für die Gelenkwelle mit Kreuzgelenkgabel, die aus einem Gusswerkstoff bestehen kann, kann durch geeignete Materialwahl des Verstärkungseinlegers sowohl die Festigkeit als auch das Gesamtgewicht der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle verringert werden, indem der Verstärkungseinleger nicht nur Gussmaterial ersetzt, sondern eine weitere Verringerung der Gusswandstärke durch ein Verstärkungsmaterial höherer Festigkeit ermöglicht.Through the sandwich construction technique for the cardan shaft with universal joint yoke, which may be a cast material, by suitable choice of material of the reinforcing insert, both the strength and the total weight of the universal joint cardan shaft can be reduced by substituting not only casting material for the reinforcing insert, but a further reduction allows the cast wall thickness by a reinforcing material of higher strength.
So kann der Verstärkungseinleger ein Metalleinleger aus einem Stahl- oder Aluminiumblech ein. Die Verwendung eines Nichtmetalleinlegers aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff beispielsweise ist ebenfalls denkbar.Thus, the reinforcing insert can insert a metal insert from a steel or aluminum sheet. The use of a non-metal insert made of a fiber-reinforced composite, for example, is also conceivable.
Durch die Materialwahl und die Verwendung eines Rohrs als Verstärkungseinleger in Verbindung mit der Sandwichbauweise kann die Festigkeit der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle verbessert werden, wobei der Verstärkungseinleger bei der Verwendung von Guss als Werkstoffmaterial für die Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle bereits beim Gießen in die Gelenkwelle integriert werden kann. Wird der Verstärkungseinleger eingegossen, so sind nach dem Erstarren des Gussmaterials der zylindrische Abschnitt und der Anschlussbereich axial formschlüssig mit dem Verstärkungseinleger verbunden.The choice of materials and the use of a pipe as a reinforcing insert in connection with the sandwich construction, the strength of the universal joint yoke drive shaft can be improved, the reinforcing insert can be integrated with the use of casting as material material for the universal joint yoke hinge shaft already during casting in the propeller shaft. If the reinforcing insert is cast in, then after the solidification of the cast material, the cylindrical section and the connection area are connected in an axially form-fitting manner to the reinforcing insert.
Da Wellen durch die Drehmomentübertragung auch unter Torsion beansprucht werden, kann in einer weiteren Ausführungsform der Verstärkungseinleger Ausnehmungen aufweisen, die über seine Mantelfläche verteilt angeordnet sind und sich radial zur Längsachse öffnen. So wird beim Umgießen des Verstärkungseinlegers mit dem Gussmaterial zur Ausbildung der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle auch ein radialer Formschluss des Verstärkungseinlegers mit dem umgebenden zylindrischen Abschnitt und dem Anschlussbereich geschaffen, indem das Gussmaterial in die Ausnehmungen eintritt. Hierdurch wird der Verstärkungseinleger in der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle verzapft.Since waves are stressed by the torque transmission and torsion, in a further embodiment, the reinforcing insert may have recesses which are arranged distributed over its lateral surface and open radially to the longitudinal axis. Thus, when molding the reinforcing insert with the casting material to form the universal joint fork hinge shaft, a radial positive engagement of the reinforcing insert with the surrounding cylindrical portion and the connection region is also created by the casting material entering the recesses. As a result, the reinforcing insert is dovetailed in the universal joint fork drive shaft.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die
Generell dienen Gelenkwellen zur Übertragung von Drehmomenten bei nicht fluchtenden Drehachsen oder bei sich gegeneinander bewegenden Teilen, so dass sie auch auf Torsion beansprucht werden. Eine Kreuzgabel-Gelenkwelle, bekannt auch als Kardanwelle, wird vor allem im Kraftfahrzeugbau als Komponente des Antriebsstranges verwendet und besteht meist aus einer Hohlwelle. Das Kreuz- oder Kardangelenk an den Enden der Kardanwelle ermöglicht den Anschluss an ein weiteres Kreuzgelenk einer anderen Welle mit geringem Spiel und Wartungsaufwand sowie einem hohen Wirkungsgrad.Generally, cardan shafts are used to transmit torques in non-aligned axes of rotation or in mutually moving parts, so that they are also subjected to torsion. A universal joint propeller shaft, also known as a cardan shaft, is used primarily in motor vehicle construction as a component of the drive train and usually consists of a hollow shaft. The universal joint at the ends of the cardan shaft allows connection to another universal joint of another shaft with little play and maintenance and high efficiency.
Als Alternative oder zusätzlich zum Kreuzgelenk werden heutzutage zur Kopplung von Gelenkwellen auch Gelenkscheiben aus Gummi oder einem anderen elastischen Material mit integrierten Metallbuchsen eingesetzt, die durch Dämpfung von Vibrationen für einen ruhigeren Lauf des Antriebs und damit für einen verbesserten Komfort sorgen.As an alternative or in addition to the universal joint nowadays joint discs made of rubber or other elastic material with integrated metal bushings are used for the coupling of propeller shafts, which provide by damping vibrations for a quieter running of the drive and thus for improved comfort.
Die Erfindung ist zwar anhand einer Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle beschrieben, es ist allerdings auch denkbar, eine mit Gelenkscheiben ausgestattete Gelenkwelle in der erfindungsgemäßen Sandwichbauweise der Gelenkwelle mit einem Verstärkungseinleger auszuführen, so dass auch hier eine gewichtsoptimierte Gelenkwelle erhalten werden kann.Although the invention is described with reference to a cardan joint universal joint shaft, it is also conceivable to design a cardan shaft equipped with jointed disks in the sandwich construction of the cardan shaft according to the invention with a reinforcing insert, so that a weight-optimized cardan shaft can also be obtained here.
In
Die Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle
Der Verstärkungseinleger
Zur Verbesserung des Formschlusses zwischen der gegossenen Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle
Die Sandwichbauweise mit Verwendung des rohrähnlichen Verstärkungseinlegers in der Gelenkwelle, vor allem in den kritischen Bereichen der Endstücke zu den Gabelköpfen, gestattet durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe unter Ausnutzung der bauteilspezifischen mechanischen Werkstoffeigenschaften die optimale Nutzung der gewichtsspezifischen Bauteilgeometrie sowie die Optimierung der bauteilkritischen Festigkeitsbereiche, so dass die Bauteilfestigkeit bei gewichtoptimierter Bauteilgeometrie erhöht werden kann.The sandwich construction with use of the tube-like reinforcing insert in the propeller shaft, especially in the critical areas of the end pieces to the fork heads, allows the optimal use of the weight-specific component geometry and the optimization of the component critical strength ranges by selecting suitable materials by exploiting the component-specific mechanical material properties the component strength can be increased with weight-optimized component geometry.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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