DE102013213966B3

DE102013213966B3 - Drehmomentübertragungseinrichtung sowie Fahrzeug mit einer Gelenkwelle

Info

Publication number: DE102013213966B3
Application number: DE102013213966.7A
Authority: DE
Inventors: Jan-Hinerk Frerichs; Simon Gail; Johannes Mintzlaff
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: CN105308342A; CN105308342B; WO2015007447A1; US20160123378A1

Abstract

Drehmomentübertragungseinrichtung, mit einem Außenrohr und einem Innenrohr, das ein Stück weit in das Außenrohr eingeschoben ist, wobei das Außenrohr ausschließlich über eine Klebeverbindung in Drehmomentübertragungsrichtung und in Längsrichtung des Außenrohrs mit dem Innenrohr verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Fahrzeug mit einer Gelenkwelle gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 12.
Eine Drehmomentübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der DE 10 2011 015 209 A1 bekannt. Zum relevanten Stand der Technik zählt ferner die DE 43 27 908 C1 . Dort ein Faserverbundrohr mit einem Anschlussflansch und einer Gelenkwelle verklebt. Zum technischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung zählen die DE 1963212 U , DE 27 28 306 A1 , DE 10 2004 001 386 B3 , DE 33 31 789 A1 , US 5 632 685 A sowie die US 2005/0 153 783 A1 .
Aufgabe der Erfindung ist es eine Drehmomentübertragungseinrichtung zu schaffen, die eine sichere Drehmomentübertragung ermöglicht und die in einem Crashfall ein deformiertes Versagensverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Drehmomentübertragungseinrichtung, mit einem Außenrohr und einem Innenrohr, das ein Stück weit in das Außenrohr eingeschoben ist. Das Außenrohr und das Innenrohr können Bestandteile einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs sein. Unter dem Begriff „Gelenkwelle” wird hier ganz allgemein eine Einrichtung verstanden, über die ein Getriebeausgang mit einem Eingang eines Achsgetriebes gekoppelt ist.
Bei der Drehmomentübertragung gemäß der Erfindung ist das Außenrohr über eine Klebeverbindung in Drehmomentübertragungsrichtung mit dem Innenrohr verbunden und zwar ausschließlich über die Klebeverbindung. Das Außenrohr ist also nicht zusätzlich etwa über eine formschlüssige Drehmomentverbindung o. ä. mit dem Innenrohr drehgekoppelt, sondern ausschließlich stoffschlüssig über die Klebeverbindung, was vergleichsweise kastengünstig ist.
Die Klebeschicht macht die Drehmomentübertragungseinrichtung zu einem „Crashelement”. In einem Crashfall, in dem eine in Längsrichtung des Innen- bzw. Außenrohrs wirkende Kraft überschritten wird, versagt die Klebeverbindung, so dass das Innenrohr zumindest ein Stück weit in das Außenrohr „einteleskopieren”, d. h. in das Außenrohr eingeschoben werden kann.
Für die Dauerfestigkeit einer derartigen Drehmomentübertragungseinrichtung ist es von Vorteil, wenn die Torsionssteifigkeit des Außenrohrs in etwa „in derselben Größenordnung” wie Torsionssteifigkeit des Innenrohrs liegt. Unter dem Begriff „Torsionssteifigkeit” wird das Produkt aus dem Schubmodul G des jeweiligen Rohrwerkstoffs und dem Torsionsträgheitsmoment des betreffenden Rohrs verstanden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Torsionssteifigkeit des Außenrohrs in einem Bereich von +/–10% der Torsionssteifigkeit des Innenrohrs liegt, oder in einem Bereich von +/–5% der Torsionssteifigkeit des Innenrohrs. Vorzugsweise ist die Torsionssteifigkeit des Außenrohrs exakt gleich der Torsionssteifigkeit des Innenrohrs. Die Torsionssteifigkeiten der beiden Rohre können durch die Wahl des Materials sowie durch den Rohrdurchmesser und die Wandstärke des jeweiligen Rohrs „eingestellt” werden.
Wird die Torsionssteifigkeit der Rohre angenähert, ergibt sich für beide Rohre bei gleicher Belastung ein ähnlicher Verdrehwinkel. Dadurch entsteht ein annähernd linearer Verlauf der Torsionsschubspannung in der Klebeverbindung. Die Klebeverbindung wird somit über ihre gesamte Länge zu gleichen Teilen belastet. Würde die Steifigkeit der Rohre zueinander nicht berücksichtigt, entstünden Spannungsspitzen im Klebstoff. Würde durch eine solche Spannungsspitze die zulässige Schub-/Scherspannung des Klebstoffes überschritten, wäre mit einem Versagen der kompletten Klebeschicht zu rechnen.
Für die Funktion sind neben den Eigenschaften des Klebstoffes auch geometrische Zusammenhänge ausschlaggebend. Der geometrische Einfluss auf die ertragbare Axialkraft beschränkt sich in der Theorie allein auf die Klebefläche. Der geometrische Einfluss auf das übertragbare Drehmoment ist wegen M = F·d/2 bei gleichbleibender Klebefläche zudem vom Rohrdurchmesser abhängig. Bei ab einem bestimmten Welleninnendurchmesser ist die aus dem Drehmoment resultierende Tangentialkraft geringer, als die übertragbare Axialkraft. Dieser Zusammenhang begünstigt eine Einstellung der axialen Versagenskraft und somit die Verwendung der Verklebung als Crashelement.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf einer vorgegebenen, in Längsrichtung des Innenrohrs bzw. des Außenrohrs gemessenen Klebelänge das Innenrohr über seinen gesamten Außenumfang mit einem Innenumfang des Außenrohrs verklebt ist.
Eine qualitativ hochwertige Klebeverbindung erfordert eine gewisse Mindestdicke. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise an einer Außenseite des Innenrohrs eine umlaufende (nutartige) Vertiefung vorgesehen sein, die vollständig mit einem Kleber ausgefüllt ist. Alternativ oder ergänzend dazu könnte an einer Innenseite des Außenrohrs eine umlaufende Vertiefung vorgesehen sein, die vollständig mit Kleber gefüllt ist.
Eine derartige Vertiefung kann z. B. durch eine Drehbearbeitung oder eine Fräsbearbeitung des betreffenden Rohrs hergestellt werden.
Aus Festigkeits- bzw. Zentrierungsgründen ist es von Vorteil, wenn der Außendurchmesser des Innenrohrs auf seiner in das Außenrohr eingeschobenen Länge mit Ausnahme des Bereichs, in dem die Vertiefung vorgesehen ist, gleich dem Innendurchmesser des Außenrohrs ist. Dadurch ist das Innenrohr („automatisch”) in dem Außenrohr zentriert.
Für die Herstellung der Klebeverbindung kann im Außenrohr mindestens eine in die Vertiefung mündende Durchgangsbohrung vorgesehen sein. Über die Durchgangsbohrung kann bei der Herstellung der Klebeverbindung Kleber in die Vertiefung eingefüllt werden (Füllbohrung).
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein Kleber verwendet, der eine geringe Schlagzähigkeit aufweist. Dies ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber herkömmlichen geklebten Rohrverbindungen. Üblicherweise werden bei herkömmlichen geklebten Rohrverbindungen gezielt Kleber mit einer hohen Schlagzähigkeit verwendet. Unter dem Begriff „geringe Schlagzähigkeit” wird verstanden, dass der Klebstoff bei Kraftgradienten (Anstieg der Kraft über der Zeit) im Bereich derer, die bei einem Crash auftreten, eher versprödet und versagt, als bei Kraftgradienten die aufgrund des zu übertragenden Drehmomentes auftreten.
Als Kleber kann ein relativ flüssiger Kleber verwendet werden, der bei Wärmezufuhr vernetzt und expandiert. Aufgrund des expandierenden Verhaltens des Klebers ist sichergestellt, dass im ausgehärteten Zustand die beiden Rohre unter einer gewissen Spannung stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Die Erfindung ist im Zusammenhang mit unterschiedlichen Rohrmaterialen anwendbar. Beispielsweise kann es sich bei der Außenrohr um ein Stahlrohr, ein Kunststoffrohr, insbesondere ein aus faserverstärktem Kunststoffmaterial hergestelltes Rohr, wie z. B. um ein „karbonfaserverstärktes” Rohr handeln. Auch beim Innenrohr sind verschiedene Materialen, wie z. B. Stahl Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff und insbesondere kohlefaserverstärkter Kunststoff denkbar.
Sofern es sich bei dem Außenrohr um ein faserverstärktes Kunststoffrohr handelt, kann vorgesehen sein, dass sich Fasern des Außenrohrs, insbesondere im Außenbereich des Außenrohrs befindliche Fasern, ähnlich wie einer Bandage in Umfangsrichtung des Außenrohrs oder in einer dazu schrägen Richtung entlang des Umfangs des Außenrohrs erstrecken.
Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung insbesondere im Fahrzeugbereich anwendbar. Die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungseinrichtung kann beispielsweise zur Verbindung zweier Rohre oder Rohrabschnitte einer Gelenkwelle eines Fahrzeugs eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Kraft-/Wegdiagramm einer herkömmlichen Drehmomentübertragungseinrichtung;
2 ein Kraft-/Wegdiagramm einer Drehmomentübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung; und
3 das Grundprinzip einer Drehmomentübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung.
1 zeigt ein Kraft-/Wegdiagramm einer herkömmlichen Gelenkwelle im Crashfall. Im Crashfall steigt die in Längsrichtung der Gelenkwelle wirkende Axialkraft relativ schlagartig von Null bzw. einer relativ geringen Axialkraft auf einen Wert von 80–150 KN an, was bei herkömmlichen Gelenkwellen zu einer Stauchung führt. Die Stauchung ist mit einem gewissen, relativ kleinen Abfall der Axialkraft verbunden.
Eine Gelenkwelle, welche eine Drehmomentübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung aufweist, zeigt im Crashfall zunächst ebenfalls einen relativ schlagartigen Anstieg der Axialkraft auf ein Niveau von 80–150 KN. Bei einer bestimmten Axialkraft versagt die Klebeverbindung dann, was zu einem relativ starken Abfall der Axialkraft auf einen Wert von weniger als 20 KN führt. Dies hat damit zu tun, dass gemäß der Erfindung ein Außenrohr und ein teilweise darin eingeschobenes Innenrohr der Gelenkwelle über eine Klebeverbindung miteinander verklebt sind, deren Kleber eine geringe Schlagzähigkeit aufweist.
3 zeigt eine Drehmomentübertragungseinrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die Drehmomentübertragungseinrichtung 1 weist ein Außenrohr 2 und ein Innenrohr 3 auf, das auf einer Länge L in das Außenrohr 2 eingeschoben ist. An einer Außenseite des Innenrohrs 3 ist im Bereich der Länge L eine umlaufende nutartige Vertiefung 4 vorgesehen. Die Vertiefung 4 kann beispielsweise durch Drehen oder Fräsen hergestellt worden sein. Die in Axialrichtung 6 gemessene Länge der nutartigen Vertiefung 4 ist mit klein l gekennzeichnet, was der Länge der Klebeverbindung entspricht.
Die Vertiefung ist vollständig mit einem Kleber 5 gefüllt. Über die durch den Kleber 5 gebildete Klebeverbindung ist das Außenrohr 2 in Drehmomentübertragungsrichtung (Umfangsrichtung) drehfest mit dem Innenrohr 3 gekoppelt und zusätzlich in Axialrichtung 6 fest mit dem Innenrohr 3 verbunden. Die Klebeverbindung stellt die einzige Kopplung in Drehmomentübertragungsrichtung und in Axialrichtung dar. Das Innenrohr 3 ist nicht etwa über eine zusätzliche Formschlussverbindung mit dem Außenrohr 2 drehgekoppelt.
Wie aus 3 ersichtlich ist, entspricht der Außendurchmesser des Innenrohrs 3 auf seiner gesamten in das Außenrohr 2 eingeschobenen Länge L, mit Ausnahme des Bereichs, in dem die Vertiefung 4 vorgesehen ist, dem Innendurchmesser des Außenrohrs 2. Dadurch ist das Innenrohr 3 in dem Außenrohr 2 zentriert.
Bei der Herstellung einer derartigen Drehmomentübertragungseinrichtung wird zunächst das Innenrohr 3 in das Außenrohr 2 eingeschoben. Anschließend wird über mindestens eine in dem Außenrohr 2 vorgesehene Durchgangsbohrung 7, welche in die Vertiefung 4 mündet, die Vertiefung 4 mit Kleber befüllt. Der Kleber 4 kann beispielsweise durch Wärmezufuhr ausgehärtet werden, wodurch er vernetzt und expandiert.
Alternativ zu einem Flüssigkleber könnte auch ein relativ fester Kleber verwendet werden, mit dem vor dem Einschieben des Innenrohrs die Vertiefung 4 gefüllt wird. Durch Wärmezufuhr können auch „Festkleber” zum expandieren und Aushärten gebracht werden.
Die Klebeverbindung kann so ausgelegt werden, dass die Klebeverbindung bei Überschreiten einer vorgegebenen Axialkraft exakt an der „Grenzschicht” zwischen dem Kleber 5 und dem Innenumfang des Außenrohrs 2 versagt. Dies hat den Vorteil, dass sich eine relativ glatte zylindrische Führung ergibt, die ein „ineinander Teleskopieren” der beiden Rohre 2, 3 bei vergleichsweise geringer Reibung, d. h. vergleichsweise geringem Kraftniveau (vgl. 2), ermöglicht.

Claims

Drehmomentübertragungseinrichtung (1), mit – einem Außenrohr (2) und – einem Innenelement (3), das ein Stück (L) weit in das Außenrohr (2) eingeschoben ist, wobei – das Außenrohr (2) über eine Klebeverbindung (5) in Drehmomentübertragungsrichtung und in Längsrichtung (6) des Außenrohrs (2) mit dem Innenelement (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass • das Innenelement (3) ein Innenrohr ist, • das Außenrohr (2) ausschließlich über eine Klebeverbindung (5) in Drehmomentübertragungsrichtung und in Längsrichtung (6) des Außenrohrs (2) mit dem Innenrohr (3) verbunden ist und • an – an einer Außenseite des Innenrohrs (3) und/oder – an einer Innenseite des Außenrohrs (2) eine umlaufende nutartige Vertiefung (4) vorgesehen ist, die vollständig mit einem Kleber (5) gefüllt ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsionssteifigkeit des Außenrohrs (2) in einem Bereich von +/–10%, insbesondere in einem Bereich von +/–5%, der Torsionssteifigkeit des Innenrohrs (3) liegt.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vorgegebenen, in einer Längsrichtung (6) des Innenrohrs (3) gemessenen Klebelänge (l) das Innenrohr (3) über seinen gesamten Außenumfang mit einem Innenumfang des Außenrohrs (2) verklebt ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsionssteifigkeit des Außenrohrs (2) gleich der Torsionssteifigkeit des Innenrohrs (3) ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung gedreht oder gefräst ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Innenrohrs (3) auf seiner in das Außenrohr (2) eingeschobenen Länge (L) mit Ausnahme des Bereichs (l), in dem die Vertiefung (4) vorgesehen ist, gleich dem Innendurchmesser des Außenrohrs (2) ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Außenrohr (2) mindestens eine in die Vertiefung (4) mündende Durchgangsbohrung (7) vorgesehen ist, über die Kleber (5) in die Vertiefung (4) eingefüllt worden ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (5) ein durch Wärmezufuhr expandierender bzw. expandierter und vernetzender bzw. vernetzter Kleber ist.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (2) aus Stahl oder Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, besteht.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (3) aus Stahl oder Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, besteht.
Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich Fasern des Außenrohrs (2) in einem Bereich (L), in dem das Innenrohr (3) in das Außenrohr (2) eingeschoben ist, in Umfangsrichtung des Außenrohrs oder in einer dazu schrägen Richtung entlang des Umfangs des Außenrohrs (2) erstrecken.
Fahrzeug mit einer Gelenkwelle, welche eine Drehmomentübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.