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Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung für ein Getriebe eines Fahrzeugs mit einer Welle aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, wobei die Welle eine Hauptachse aufweist.
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Karbonbauteile werden im Automobilbau vielfach in der Karosserie eingesetzt, da der Matrixwerkstoff Karbon sehr leicht ist und zudem zumindest in bestimmte Belastungsrichtungen sehr steif ist.
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Eine andere Anwendung von Karbon wird in der Druckschrift
US 4,089,190 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, vorgeschlagen. Gegenstand der Druckschrift ist eine Transmissionswelle zur Übertragung eines Traktionsmoments zum Antrieb eines Fahrzeugs. Die Traktionswelle weist mehrere Lagen aus Karbonfasern auf, welche in einem Matrixharz eingebettet sind. Die Transmissionswelle ist mit dem konstruktiven Aufbau der Karbonschichten so ausgebildet, dass diese bei hohen Drehzahlen von wenigstens 6.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden kann, ohne eine Unwucht oder dergleichen zu erzeugen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zum Stand der Technik vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch eine Wellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine Wellenanordnung vorgeschlagen, welche für ein Getriebe eines Fahrzeugs geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Fahrzeug ist insbesondere als ein Zahnräderwechselgetriebe ausgebildet. Das Getriebe kann als ein Schaltgetriebe oder als ein Automatikgetriebe realisiert sein.
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Die Wellenanordnung umfasst eine Welle aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Insbesondere ist die Welle oder zumindest ein Stützkörper der Welle aus dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff ausgebildet. Optional kann die Welle auch weitere Schichten, Elemente oder Ergänzungen umfassen. Die Welle weist vorzugsweise eine zylindrische Außenumfangsfläche auf. Die Welle kann eine zylindrische Gestalt aufweisen und/oder als Vollwelle ausgebildet sein. Alternativ kann die Welle eine hohlzylindrische Gestalt aufweisen und/oder als Hohlwelle ausgebildet sein. Die Welle definiert durch ihre Längserstreckung und/oder Symmetrie eine Hauptachse.
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Es handelt sich insbesondere um einen Faser-Kunststoff-Verbundstoff, bei dem Kohlenstofffasern als Verstärkungsmaterial in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die Kunststoffmatrix kann dabei aus einem Duroplast oder aus einem Thermoplast bestehen. Insbesondere ist die Kunststoffmatrix als Epoxidharz ausgebildet. Der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff kann insbesondere als ein CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) ausgebildet sein.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Welle als eine Schaltwelle ausgebildet ist und/oder dass die Wellenanordnung ein Schaltorgan umfasst, wobei das Schaltorgan auf der Welle aufgesetzt ist.
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Es ist eine Überlegung der Erfindung, das kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff nicht nur vorteilhaft bei schnelldrehenden Transmissionswellen, sondern auch bei Schaltwellen eingesetzt werden kann, obwohl die Schaltwellen gänzlich andere Belastungsanforderungen aufweisen. So wird die Schaltwelle im Betrieb bestimmungsgemäß nicht rotiert, sondern nur geschwenkt, insbesondere mit einem Schwenkwinkel kleiner als 360 Grad, und/oder axial verschoben. Rotationen mit hohen Drehzahlen, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, können somit bestimmungsgemäß nicht vorkommen. Dagegen werden über die Schaltwelle axial, radial oder in Umlaufrichtung zu der Hauptwelle gerichtete Kräfte übertragen oder abgestützt. Trotz der anderen Belastungsanforderungen kann der kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff als Grundwerkstoff für die Welle vorteilhaft eingesetzt werden und auf diese Weise seine Vorteile hinsichtlich eines niedrigen Gewichts und einer hohen Steifigkeit ausspielen.
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Besonders bevorzugt weist die Welle mehrere Lagen aus dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff auf. Insbesondere sind mindestens eine, einige oder alle Lagen aus dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gewickelt. Alternativ oder ergänzend sind die Kohlenstofffasern in dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff als Langfasern, also mit einer Länge größer als 10 Zentimeter, vorzugsweise größer als 20 Zentimeter, ausgebildet. Vorzugsweise sind die Lagen aus Endlosfasern gewickelt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine der Lagen als eine Parallel-Lage mit Kohlenstofffasern ausgebildet, wobei sich die Wickelrichtung der Kohlenstofffasern parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Hauptachse erstrecken. Optional sind in den Endbereichen der Welle Umlenkbereiche der Kohlenstofffasern angeordnet. Im Wesentlichen parallel meint insbesondere, dass ein Winkel zwischen der Hauptachse (gegebenenfalls projiziert auf die Zylindermantelfläche der Welle) und der Verlauf der Kohlenstofffasern kleiner als fünf Grad ausgebildet ist. Insbesondere sind die Kohlenstofffasern in der Parallel-Lage in Achsrichtung gewickelt. Es wird angenommen, dass die Parallel-Lage insbesondere einer Durchbiegung der Welle entgegenwirkt und somit besonders vorteilhaft für die Anwendung als Schaltwelle ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Welle eine oder mehrere Helix-Lagen mit Kohlenstofffasern auf, wobei sich deren Wickelrichtung schraubenlinienförmig und/oder wie ein Helix um die Hauptachse erstreckt. Insbesondere sind die Kohlenstofffasern in der oder den Helix-Lagen kreuzgewickelt und/oder pullwinded. Es wird angenommen, dass in Abhängigkeit der Gewinderichtung einer Torsion der Welle durch die Helix-Lagen entgegenwirkt und somit besonders vorteilhaft für die Anwendung als Schaltwelle ist.
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Vor diesem Hintergrund ist es besonders bevorzugt, dass die Helix-Lagen mindestens eine Links-Helix-Lage, deren Wickelrichtung sich schraubenlinienförmig mit einem Linksgewinde und/oder wie ein linksgängiger Helix erstreckt, sowie mindestens eine Rechts-Helix-Lage aufweist, deren Wickelrichtung sich schraubenlinienförmig mit einem Rechtsgewinde und/oder wie ein rechtsgängiger Helix erstreckt, aufweist. Durch diese konstruktive Ausgestaltung wird erreicht, dass einer Torsion der Welle entgegengewirkt wird, wobei es unerheblich ist, in welche Drehrichtung die Torsion erfolgt.
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In Weiterbildung dieser Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Betrag eines Steigungswinkel der Kohlenstofffasern in Bezug auf die Hauptachse kleiner als 60 Grad, vorzugsweise kleiner als 50 Grad ausgebildet ist. Beispielsweise ist der Betrag der Steigungswinkel der Kohlenstofffasern in der Links-Helix-Lage und/oder in der Rechts-Helix-Lage zwischen 15 Grad und 45 Grad.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist die Welle einen Dreilagenaufbau auf, wobei eine der Lagen als eine Parallellage, eine weitere Lage als eine Links-Helix-Lage und eine weitere Lage als eine Rechts-Helix-Lage ausgebildet ist. In diesem Dreilagenaufbau ist für jede der Hauptbelastungsarten Torsion links, Torsion rechts und Durchbiegung eine Lage mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff vorgesehen. Damit stellt diese bevorzugte Ausführungsform die kleinste Ausgestaltung der Erfindung dar.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Welle einen Vierlagenaufbau auf, wobei im Gegensatz zu dem Dreilagenaufbau eine weitere Parallel-Lage hinzukommt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Links-Helix-Lage und die Rechts-Helix-Lage zwischen den Parallel-Lagen angeordnet sind. Durch diesen Aufbau ist die Welle besonders steif gegen Durchbiegungen.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung ist das Schaltorgan als eine Schaltgabel ausgebildet. Die Schaltgabel kann auf der Welle formschlüssig und/oder stoffschlüssig befestigt sein. Beispielsweise ist die Schaltgabel auf der Welle aufgeklebt. Alternativ oder ergänzend ist die Schaltgabel auf der Welle durch mechanisches Klemmen festgelegt. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Welle im eingebauten Zustand als eine Achse ausgebildet, wobei die Schaltgabel relativ zu der Welle bewegbar ist. Es ist dabei besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Schaltgabel einen hülsenförmigen Buchsenabschnitt aufweist, der zum unmittelbaren Gleiten auf der zylindrischen Außenumfangsfläche der Welle ausgebildet ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung einer Wellenanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a, b eine axiale Draufsicht beziehungsweise schematische radiale Seitenansicht auf die Welle zur Erläuterung der Wicklung.
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In der
1 ist eine Wellenanordnung
1 in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung abgebildet. Die Wellenanordnung
1 ist als ein Bestandteil eines Zahnräderwechselgetriebes ausgebildet. Derartige Wellenanordnungen und deren Integration in ein Getriebe sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 026 365 A1 der Anmelderin bekannt.
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Die Wellenanordnung 1 weist eine Welle 2 sowie eine Schaltgabel 3 als ein Schaltorgan auf, wobei die Schaltgabel 3 auf die Welle 2 aufgesetzt ist. Die Welle 2 ist als ein gerader Hohlzylinder ausgebildet, welcher koaxial und/oder konzentrisch zu einer Hauptachse H angeordnet ist. Die Welle 2 ist aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gebildet. Die Schaltgabel 3 weist einen Kopplungsabschnitt 4 auf, welcher eine Durchgangsöffnung 5 für die Welle 2 bereitstellt, wobei die Welle 2 in der Durchgangsöffnung 5 angeordnet ist. Hinsichtlich der Integration der Wellenanordnung 2 in das Getriebe können zwei unterschiedliche Einbauzustände unterschieden werden:
Bei einem ersten Einbauzustand wird die Welle 2 in dem Getriebe stationär und insbesondere drehfest angeordnet, wobei die Schaltgabel 3 verschiebbar und/oder drehbar auf der Welle 2 angeordnet ist. Der Kopplungsabschnitt 4 ist als ein Buchsenabschnitt ausgebildet, wobei die Innenfläche des Buchsenabschnitts unmittelbar auf der Welle 2 gleitet. Die Welle 2 wird in einem Bereich abgestützt, der aus dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
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Bei einem zweiten Einbauzustand sind die Schaltgabel 3 und die Welle 2 drehfest und/oder verschiebefest miteinander verbunden. In dieser Ausgestaltung ist die Schaltgabel 3 mit dem Kopplungsabschnitt 4 stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig auf der Welle 2 festgelegt. Die Schaltgabel 3 kann mit der Welle 2 beispielsweise verklebt sein oder der Kopplungsabschnitt 4 kann auf die Welle 2 geklemmt sein. In dieser Ausführungsform ist die Welle 2 in dem Getriebe drehbar und/oder verschiebbar gelagert. Die Welle 2 wird in einem Bereich gelagert, der aus dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
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Die Schaltgabel 3 weist einen Gabelabschnitt 6 auf, welcher beispielsweise in eine Betätigungsnut einer Schaltmuffe des Getriebes eingreifen kann, um diese in axialer Richtung zu verschieben.
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In der 2a ist ein schematischer Querschnitt senkrecht zu einer Hauptachse H der Welle 2 dargestellt. Aus dem Querschnitt ist zu erkennen, dass die Welle 2 genau drei Lagen oder einen Dreilagenaufbau mit den Lagen L1, L2 und L3 aufweist. Jede der Lagen L1, L2, L3 besteht aus dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff. Der kohlenstoffverstärkte Kunststoff besteht aus Kohlenstofffasern 7, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Beispielsweise bestehen die Lagen aus einem CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff). Die Kohlenstofffasern 7 sind bei den Lagen L1, L2, L3 gewickelt. Die einzelnen Lagen L1, L2, L3 unterscheiden sich voneinander durch die Wicklungsart, insbesondere die Wickelrichtung.
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In der 2b ist die Welle 2 schematisiert gezeigt, wobei die Wickelrichtungen der Kohlenstofffasern 7 in den einzelnen Lagen L1, L2, L3 erkennbar sind. Für die Beschreibung wird angenommen, dass die äußerste Lage L1 als eine Parallel-Lage, die mittlere Lage L2 als eine Rechts-Helix-Lage und die Lage L3 als eine Links-Helix-Lage ausgebildet ist.
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Bei der Parallel-Lage der Lage L1 verlaufen die Kohlenstofffasern 10 parallel oder zumindest gleichgerichtet zu der Hauptdrehachse H. Nachdem die Welle 2 in der 2b waagerecht liegend angeordnet ist, verlaufen auch die Kohlenstofffasern 10 in einer waagerechten Richtung. In den Endbereichen können sich Umlenkbereiche für die Kohlenstofffasern 10 ergeben oder diese sind in den Endbereichen abgetrennt, wie dies in der 2b zeichnerisch angedeutet ist.
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Die Rechts-Helix-Lage der Lage L2 weist eine Wickelrichtung der Kohlenstofffasern 10 auf, wobei sich die Kohlenstofffasern 7 auf einer Zylindermantelfläche, welche koaxial zu der Hauptdrehachse angeordnet ist, im Uhrzeigersinn winden. Die Links-Helix-Lage der Lage L3 weist dagegen eine Wickelrichtung der Kohlenstofffasern 10 auf, wobei sich die Kohlenstofffasern 7 auf einer Zylindermantelfläche, welche koaxial zu der Hauptdrehachse angeordnet ist, gegen Uhrzeigersinn winden.
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Durch diesen Aufbau werden die Hauptbelastungen der Welle 2, nämlich Torsion in beide Richtungen sowie Durchbiegung, abgestützt.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Betrag des Steigungswinkels der Kohlenstofffasern 7 gemessen relativ zu einer Parallelen H' der Hauptachse, die auf der Zylindermantelfläche angeordnet ist, kleiner als 45 Grad ausgebildet ist. Diese Winkel sind in der 2b mit alphaL2 und alphaL3 eingetragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellenanordnung
- 2
- Welle
- 3
- Schaltgabel
- 4
- Kopplungsabschnitt
- 5
- Durchgangsöffnung
- 6
- Gabelabschnitt
- 7
- Kohlenstofffasern
- H
- Hauptdrehachse
- H'
- Parallele zur Hauptdrehachse
- L1, L2, L3
- Lagen
- alphaL2
- Steigungswinkel
- alphaL3
- Steigungswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4089190 [0003]
- DE 102010026365 A1 [0021]
