DE102017127514A1

DE102017127514A1 - Zusammengesetzte fahrzeug-wellenbaugruppe

Info

Publication number: DE102017127514A1
Application number: DE102017127514.2A
Authority: DE
Inventors: Dale E. Murrish; Amit Kumar; Scott A. Hucker
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-05-24
Also published as: CN108087493A

Abstract

Eine zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe enthält einen Körper aus einem ersten Material mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem dazwischen verlaufenden Zwischenteil. Der Zwischenteil definiert eine Drehachse und enthält eine Außenfläche und eine Innenfläche, die einen Hohlraum definieren. Mindestens ein Kernstopfen aus einem zweiten Material ist in dem Hohlraum angeordnet.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teilforsetzungsanmeldung der US-Patentanmeldung Nr. 15/048,322 , die am 19. Februar 2016 eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt der US-Patentanmeldung Nr. 15/048,322 ist hierin als Referenz einbezogen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegenden Lehren beziehen sich allgemein auf eine Wellenbaugruppe für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenbaugruppe.
HINTERGRUND
Eine Kurbelwelle wandelt lineare Bewegung eines Kolbens in Drehbewegung über eine Längsachse um, um das Drehmoment zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen, wie beispielsweise eines Zugs, eines Boots, eines Flugzeugs oder eines Automobils, ohne darauf beschränkt zu sein.
Bedienbare Ventile regeln den Luftstrom in und aus den Motorzylindern. Nockenwellen werden durch eine Motorkurbelwelle angetrieben und sind operativ mit den Ventilen zum Regeln des Öffnens und Schließens der Ventile verbunden.
Die Motoren sind häufig mit drehbaren Ausgleichswellen ausgestattet, die mit der Motorkurbelwelle über eine Kette oder einen Riemen und ein Kettenrad oder einen Getriebezug verbunden sind. Die Ausgleichswellen sind mit Gegengewichten bestückt, die den durch die Kolben erzeugten Vibrationskräften entgegenwirken.
Getriebe, Schaltgetriebe, Hinterachsen und andere Antriebsstrangkomponenten haben verschiedene Drehmoment-Übertragungswellen. So unterstützen beispielsweise verschiedene Wellenstützräder in einem Rädertrieb, die ineinandergreifen und ein Übersetzungsverhältnis von einem Antriebsglied auf ein Abtriebsglied herstellen.
Die Reduzierung des Gewichts der Fahrzeugkomponenten ist wünschenswert, um die Kraftstoffeinsparung des Fahrzeugs zu verbessern. Die Größe der Fahrzeugkomponenten muss jedoch ausreichend sein, um den Spannungen während des Betriebs standzuhalten, wodurch die mögliche Gewichtsreduzierung begrenzt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe mit einem Körper aus einem ersten Material mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem dazwischen verlaufenden Zwischenteil offenbart. Der Zwischenteil definiert eine Drehachse und enthält eine Außenfläche und eine Innenfläche, die einen Hohlraum definieren. Mindestens ein Kernstopfen aus einem zweiten Material ist in dem Hohlraum angeordnet.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten Fahrzeug-Wellenbaugruppe einschließlich der Anordnung mindestens eines Kernstopfens aus einem ersten Material in einem Hohlraum in einem Wellenkörper aus einem zweiten Material offenbart.
Die vorstehend genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Ausgleichswellenbaugruppe gemäß den vorliegenden Lehren;
2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils der Ausgleichswellenbaugruppe aus 1 an den Linien 2-2 in 1;
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Ausgleichswellenbaugruppe innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren;
4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Ausgleichswellenbaugruppe innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren;
5 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Ausgleichswellenbaugruppe aus 4 an den Linien 5-5 in 4;
6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Ausgleichswellenbaugruppe;
7 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Nockenwellenbaugruppe innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren;
8 ist eine Querschnittsdarstellung eines Teils der Nockenwellenbaugruppe aus 7 an den Linien 8-8 in 7;
9 ist eine Querschnittsdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Nockenwellenbaugruppe innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren;
10 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Nockenwellenbaugruppe aus 9 an den Linien 10-10 in 9;
11 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Nockenwellenbaugruppe aus 9 an den Linien 11-11 in 9;
12 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Nockenwellenbaugruppe aus 9 an den Linien 12-12 in 9;
13 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Nockenwellenbaugruppe aus 9 an den Linien 13-13 in 9;
14 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Nockenwellenbaugruppe aus 9 mit einem alternativen Kernstopfen im Hohlraum am Ort des Querschnitts der 10;
15 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Nockenwellenbaugruppe aus 9 mit dem alternativen Kernstopfen im Hohlraum am Ort des Querschnitts der 11;
16 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Nockenwellenbaugruppe aus 9 mit dem alternativen Kernstopfen im Hohlraum am Ort des Querschnitts der 12;
17 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Nockenwellenbaugruppe aus 9 mit dem alternativen Kernstopfen im Hohlraum am Ort des Querschnitts der 13;
18 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren alternativen Nockenwellenbaugruppe;
19 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren alternativen Nockenwellenbaugruppe;
20 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren alternativen Nockenwellenbaugruppe;
21 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren alternativen Nockenwellenbaugruppe;
22 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils einer alternativen Antriebsstrang-Wellenbaugruppe an den Linien 22-22 in 23;
23 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils einer alternativen Antriebsstrang-Wellenbaugruppe an den Linien 23-23 in 22;
24 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Teils einer weiteren alternativen Antriebsstrang-Wellenbaugruppe;
25 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Getriebewellenbaugruppe mit einem Kernstopfen innerhalb einer Getriebewelle angeordnet innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren;
26 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Getriebewellenkupplungsbaugruppe mit einem Kernstopfen in einer Getriebewelle angeordnet innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren;
27 ist eine teilweise Querschnittsansicht einer zusammengesetzten Antriebswelle gemäß einem weiteren Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform;
28 ist eine Querschnittsansicht der zusammengesetzten Antriebswelle aus 27 mit der Darstellung eines Kernstopfens gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform;
29 ist eine Querschnittsansicht der zusammengesetzten Antriebswelle aus 27 mit der Darstellung eines Kernstopfens gemäß einem weiteren Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform;
30 ist eine Querschnittsansicht der zusammengesetzten Antriebswelle aus 27 mit der Darstellung eines Kernstopfens gemäß noch einem weiteren Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform;
31 ist eine teilweise Querschnittsansicht einer zusammengesetzten Antriebswelle gemäß noch einem weiteren Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform; und
32 ist eine teilweise Querschnittsansicht einer zusammengesetzten Übertragungsgetriebewelle gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figures, worin gleiche Nummern gleiche Bauteile in den mehreren Ansichten bezeichnen, zeigt 1 eine Ausgleichswellenbaugruppe 10, die eine Ausgleichswelle 12 enthält. Ein Kettenrad 14 ist an der Ausgleichswelle 12 angeordnet und verbindet betriebsmäßig die Ausgleichswelle 12 zum Drehen mit einer Kurbelwelle über eine Kette (nicht dargestellt). Gegengewichte 16 sind in entgegengesetzten Richtungen an den Enden der Ausgleichswelle 12 angeordnet. Haltebolzen 18 halten die Gegengewichte 16 in Position auf der Ausgleichswelle 12. Lager 20, schematisch dargestellt durch Dreiecke, verbinden die Ausgleichswelle drehbar mit einem Motorblock (nicht dargestellt). Fachleute auf dem Gebiet werden die Verwendung von Ausgleichswellen zum Entgegenwirken von Motorschwingungen ohne weiteres verstehen. Obwohl 2-6 bezüglich einer Ausgleichswelle beschrieben sind, können die dargestellten und beschriebenen Eigenschaften in Bezug auf 6 zusätzlich für andere Arten von Antriebsstrangwellen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren verwendet werden. So können beispielsweise Nockenwellen, Getriebewellen oder andere Antriebsstrangwellen jede der hierin gezeigten und beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
Zur Gewichtsreduzierung weist die Ausgleichswelle 12 einen Hohlraum 22 auf, der sich entlang einer Längsachse 23 erstreckt, mindestens teilweise von einem ersten axialen Ende 24 zu einem zweiten axialen Ende 26 der Welle 12. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Hohlraum 22 vollständig vom ersten axialen Ende 24 zum zweiten axialen Ende 26. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Welle 12 mit dem Hohlraum 22 extrudiert werden, oder der Hohlraum 22 kann in die Welle 12 gebohrt werden. Der Innendurchmesser D der Welle 12 und die resultierende Dicke T der Welle 12 müssen so ausgelegt sein, dass sie der Betriebslast und der maximalen Motordrehzahl standhält und dass sich die elastische Verformung innerhalb der akzeptablen Grenzen liegt. Durch die Anordnung eines ersten Kernstopfens 30 an einer strategischen Position innerhalb des Hohlraums 22, erhöht der Kernstopfen 30 die Steifigkeit der Wellenbaugruppe 10. Mit dem Kernstopfen 30, muss der Durchmesser D größer sein, als wenn der Hohlraum 22 leer wäre. Die resultierende geringere Dicke T der Wand der röhrenförmigen Welle 12 reduziert das Gesamtgewicht der Welle 12. Dieses geringere Materialvolumen in der Welle 12 kann größer als das zusätzliche Volumen des Kernstopfens 30 sein. Dementsprechend kann das Gesamtgewicht der Wellenbaugruppe 10 geringer sein, selbst wenn der Kernstopfen 30 aus dem gleichen Material wie die Welle 12 besteht. Ist der Kernstopfen 30 aus einem Material von geringerer Dichte als die Welle 12, wird eine noch größere Gewichtsreduzierung erzielt. Die Kombination der Querschnittsgeometrie des Kernstopfens 30 in Kombination mit der geringeren Dicke T der Welle 12 ergibt eine zusammengesetzte Welle 10 mit geringerer Gesamtmasse.
In 2 wird der Kernstopfen 30 als erster Kernstopfen bezeichnet. Der Kernstopfen 30 ist in einem ersten Teil 22A des Hohlraums 22 angeordnet, in einem ersten Teil der Welle 12, angegeben als Teil P1, der allgemein von Position A bis Position B reicht. Wie in 2 gezeigt, ist der erste Kernstopfen 30 fluchtend zu einem ersten Teil P1. Der zweite Teil 22B des Hohlraums 22 ist an einem zweiten Teil P2 der Welle 12 angeordnet, der sich vom ersten axialen Ende 24 bis Position A erstreckt. Ein dritter Teil 22C des Hohlraums 22 ist an einem dritten Teil P3 der Welle 12 angeordnet, der sich vom zweiten axialen Ende 26 bis Position B erstreckt. Durch das geringere Belastungsniveau ist der zweite Teil P2 und der dritte Abschnitt P3 der Welle 12 einem zweiten Belastungsniveau ausgesetzt, der niedriger ist als das erste Belastungsniveau, wie durch die Finite-Elemente-Methode, durch Prüfung während des Betriebs oder auf andere Weise ermittelt werden kann. Je nach dem zu widerstehenden Belastungsniveau, können der zweite Teil P2 und der dritte Teil P3 gegebenenfalls leer bleiben (wie in 4 dargestellt), sodass die Welle 12 am zweiten Teil P2 und am dritten Teil P3 hohl ist. In der Ausführungsform der 2 ist jedoch ein zweiter Kernstopfen 34 im zweiten Teil 22B des Hohlraums 22 angeordnet, fluchtend zum zweiten Teil P2. Desgleichen ist ein dritter Kernstopfen 36 im dritten Teil 22C des Hohlraums 22 angeordnet, fluchtend zu einem dritten Teil P3. Der erste Kernstopfen 30 kann eine erste Dichte aufweisen, und der zweite Kernstopfen 34 sowie der dritte Kernstopfen 36 können eine zweite Dichte aufweisen, die geringer ist als die erste Dichte. Die Dichte des ersten Kernstopfens 30 kann dieselbe sein, wie die Dichte der Welle 12 oder geringer als die Dichte der Welle 12. Zusätzlich kann die Querschnittsfläche des zweiten Kernstopfens 34 und des dritten Kernstopfens 36 geringer sein als die des ersten Kernstopfens 30.
Jeder der hierin beschriebenen Kernstopfen kann mindestens teilweise aus Aluminium, mindestens teilweise aus Titan, Keramik, einer Metallmatrix oder einem Verbundwerkstoff gefertigt sein. Wenn der Begriff „Verbundstoff“ hierin verwendet wird, um ein Bauteil, wie einen Kernstopfen, zu beschreiben, dann handelt es sich um ein Material, das ein Verbund aus einem Polymer und einem anderen Material ist. So kann beispielsweise ein Verbundstoff ein glasfaserverstärktes Nylon, ein glasfaserverstärktes Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), ein glasfasergefülltes Duroplast, ein glasfasergefülltes Polybutylenterephthalat (PBT), ein glasfasergefülltes Polyethylentherephthalat (PET) oder ein anderer Polymer-Verbundstoff sein. Andere Materialien können innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren verwendet werden.
Ein Herstellungsverfahren einer Wellenbaugruppe 10 beinhaltet die Konfiguration der Welle 12 mit einem Hohlraum 22, der sich mindestens teilweise von einem ersten axialen Ende 24 zu einem zweiten axialen Ende 26 erstreckt, mit mindestens einer Öffnung entweder am ersten axialen Ende 24 oder am zweiten axialen Ende 26. So kann beispielsweise die Welle 12 mit dem Hohlraum konfiguriert sein, durch Gießen der Welle 12 mit dem Hohlraum 22, wie beispielsweise durch Einlegen eines temporären Kerns in eine Form, wenn die Welle 12 gegossen wird, und Gießen der Welle 12 um den temporären Kern, wonach der temporäre Kern entfernt wird. Die Welle 12 kann stattdessen mit dem Hohlraum 22 konfiguriert sein, durch Bohren des Hohlraums 22, nachdem die Welle 12 als Vollwelle gegossen wurde.
Das Verfahren beinhaltet ferner das Anordnen des Kernstopfens 30 im Hohlraum 22. Dies beinhaltet das Ausrichten der Kernstopfens 30 mit dem ersten Teil 22A des Hohlraums 22. Der zweite Teil 22B des Hohlraums 22 kann leer sein. Alternativ kann das Verfahren das Anordnen eines zweiten Kernstopfens 34 im zweiten Teil 22B beinhalten, wobei der zweite Kernstopfen 34 eine geringere Dichte als der erste Kernstopfen 30 aufweist.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Ausgleichswellenbaugruppe 110 mit einer Ausgleichswelle 112, in welcher der Außendurchmesser der Welle 112 so bearbeitet wurde, dass die Welle 112 eine geringere Dicke in den Teilen aufweist, bei denen weniger Steifigkeit erforderlich ist. Obwohl beispielsweise der erste Teil P1 der Welle 112 eine erste Dicke T1 aufweist, ähnlich mit Welle 12, weisen der zweite Teil P2 und der dritte Teil P3 eine Dicke T2 geringer als die Dicke T1 auf. Ein Verfahren zur Herstellung der Wellenbaugruppe der 3 würde somit die Konfigurierung der Welle 112 mit einem Außendurchmesser am zweiten Teil P2 der Welle 12 kleiner als der Außendurchmesser am ersten Teil P1 der Welle 12 enthalten, wie beispielsweise durch Bearbeiten des Außendurchmessers des zweiten Teils P2, und ferner mit einem Außendurchmesser am dritten Teil P3 der Welle 12 kleiner als der Außendurchmesser des ersten Teils P1 der Welle 12, wie beispielsweise durch Bearbeiten des Außendurchmessers des dritten Teils P3.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Ausgleichswellenbaugruppe 210 mit einem alternativen Kernstopfen 230 und einer Öffnung 232, die von einem ersten axialen Ende 234 zu einem zweiten axialen Ende 236 des Kernstopfens 230 reicht. Die Öffnung 232 verringert das Volumen des Kernstopfens 230 und reduziert somit weiter das Gewicht der Wellenbaugruppe 210. Die Öffnung 232 kann eine Vielzahl von Formen aufweisen. In der Ausführungsform der 4 weist die Öffnung 232 eine allgemeine Dreiecksform mit einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse (d. h. der Längsachse 23) der Welle 12 auf. Die Dreiecksform hat abgerundete Ecken und kann als Drei-Lappen-Form bezeichnet werden. In anderen Ausführungsformen kann die Öffnung eine Kreis- oder eine andere Form aufweisen, oder es kann ein Kernstopfen verwendet werden, der über mehrere Öffnungen verfügt, die im Allgemeinen parallel zur Achse 23 verlaufen.
Ein Kernstopfen mit einer zentralen Öffnung ist insbesondere in einer Ausgleichswelle sinnvoll, die einen Schmierstrom durch die Mitte der Welle benötigt. In 5 weist die Welle 12 eine Schmieröffnung 40 auf, die durch die Welle in den Hohlraum 22 reicht (dargestellt durch den ersten Teil 22A). Der Kernstopfen 230 ist im ersten Teil 22A mit der Schmieröffnung 40 ausgerichtet, um einen Schmierstrom axial durch die Mitte des Hohlraums 22 zu ermöglichen. Insbesondere ist ein Kanal 42 im Kernstopfen 230 mit der Schmieröffnung 40 der Welle 12 ausgerichtet und kommuniziert mit der zentralen Öffnung 232. Schmiermittel kann somit durch die Öffnung 40 und den Kanal 42 zur zentralen Öffnung 232 fließen. Bei einem anderen Teil der Welle 12, axial beabstandet zur Öffnung 40, kann ein anderer Kanal im Kernstopfen 230 mit einer anderen Schmieröffnung in der Welle 12 ausgerichtet sein, sodass das Schmiermittel in oder aus der Welle 12 geführt werden kann.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Ausgleichswellenbaugruppe 310 mit einer Ausgleichswelle 312, die zwei Schmieröffnungen 340 winklig voneinander versetzt aufweist. Die Ausgleichswelle 312 weist ein Schmiersystem auf, das kein Schmiermittel benötigt, um durch die Mitte des Hohlraums 22 zu strömen. In einer solchen Wellenbaugruppe 310 muss der Kernstopfen 330 keine zentrale Öffnung haben. So kann beispielsweise bei einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse 23 der Welle 312 ein Kernstopfen 330 mit einer I-Träger-Form verwendet werden. Der Kernstopfen 330 ist im Hohlraum 22 angeordnet, sodass eines der Schenkelteile 348 des I-Trägers auf die Innenfläche 350 der Welle 312 zwischen den Schmieröffnungen 340 befestigt ist. Das Schmiermittel kann dann durch die Öffnungen 340 axial durch den Hohlraum 22 hinunterfließen, beidseitig an einem mittleren Teil 352 des Kernstopfens 330.
Unter Bezugnahme auf 7 ist eine Nockenwellenbaugruppe 410 dargestellt. Die Nockenwellenbaugruppe 410 beinhaltet eine Nockenwelle 412 mit mehreren Nocken 460 an der Außenfläche 415 der Nockenwelle 412. Die Nockenvorsprünge 460 beinhalten ein erstes Paar von Nockenvorsprüngen 460A, ein zweites Paar von Nockenvorsprüngen 460B, ein drittes Paar von Nockenvorsprüngen 460C, und ein viertes Paar von Nockenvorsprüngen 460D. Wie in 8 dargestellt, können mehrere Kernstopfen 430 in einem Hohlraum 422 angeordnet sein, der sich durch die Nockenwelle 412 erstreckt, sodass die Kernstopfen 430 axial mit den Nockenvorsprüngen 460A, 460B, 460C, 460D fluchten. Mit anderen Worten sind die Nockenvorsprünge 460 koaxial mit den Kernstopfen 430 angeordnet. Durch die Lastaufnahmefähigkeit der Kernstopfen 430 kann der Hohlraum 422 größer ausgelegt werden als sonst, d. h. die Dicke der Nockenwelle 412 kann reduziert werden, wodurch das Gesamtgewicht der Nockenwellenbaugruppe 410 im Vergleich zu einer Nockenwellenbaugruppe ohne Kernstopfen geringer ist.
Die Nockenwelle 412 unterliegt größten Beanspruchungen an den Nockenvorsprüngen 460, da die Nockenvorsprünge 460 entgegen den Motorventilen wirken (nicht dargestellt). Insbesondere ist die maximale Belastung der Nockenvorsprünge 460 in eine Richtung nach innen von einer Nasenspitze 470 des Nockenvorsprungs 460 zur Achse 23. Die Nase 470 ist das weiteste Ende des Nockenvorsprungs 460 und kann ebenfalls als äußere Spitze des Nockenvorsprungs 460 bezeichnet werden. Dementsprechend sind die Kernstopfen 430 im Hohlraum 422 nach innen und radial umgeben von den Nockenvorsprüngen 460 angeordnet, wobei die leeren Teile des Hohlraums 422 zwischen den Kernstopfen 430 verbleiben. Mit anderen Worten sind die Kernstopfen 430 nur lang genug, um leicht weiter als die Breite der Entfernung eines Paares von Nockenvorsprüngen 460 zu reichen. Das Gesamtgewicht der Kernstopfen 430 ist damit minimiert. Die Kernstopfen 430 sind im Allgemeinen solide, können jedoch auch eine Querschnittsform haben, ausgerichtet je nach Belastung der Welle 12, 112, oder 412, oder einer anderen Welle, wie hierin beschrieben.
Die Querschnittsform eines Kernstopfens, wie die Kernstopfen 230 und 330 aus 5 und 6, kann innerhalb des Hohlraums einer Nockenwelle 412 in Korrelation zur Belastung der Nockenwelle ausgerichtet werden. Wie in den 7 und 9 dargestellt, weisen die Nockenvorsprünge 460A-460D unterschiedliche Winkelausrichtungen um die Achse 23 auf. In 9 enthält eine Nockenwellenbaugruppe 510 die Nockenwelle 412 mit den Kernstopfen 230, angeordnet im Hohlraum 422, fluchtend zu den Paaren von Nockenvorsprüngen 460, wie in Bezug auf die Kernstopfen 430 aus 8. In 9 sind die Kernstopfen 230 innerhalb des Hohlraums 422 positioniert, mit der vorbestimmten Querschnittsform der Öffnungen 232 orientiert um die Achse 23 in einer vorbestimmten Winkelstellung, die mit der vorbestimmten maximalen Belastung der Nockenwelle 412 am Kernstopfen 430 korreliert. Die jeweilige vorbestimmte Winkelausrichtung jeder Öffnung 232 korreliert mit der Winkelausrichtung der Nase 470 des Nockenvorsprungs 460, die radial nach außen aus dem Kernstopfen 430 gerichtet ist. Wie in 7 und 10-13 ersichtlich ist, sind die Nasen 470 in jedem angrenzenden Paar von Nockenvorsprüngen 460 in einem Winkel von 90 Grad zueinander ausgerichtet. In 10 fluchtet eine Spitze 480 der dreieckförmigen Öffnung 232 mit der Nase 470 des Nockenvorsprungs 460A, der dem Kernstopfen 230 entspricht. Die Spitze 480 ist zur Mitte der Nase 470 zentriert.
14-17 zeigen die Nockenwelle 412 mit den entsprechenden Nockenvorsprüngen 460A-460D und mit Kernstopfen 330, wie jenem aus 6 im Hohlraum 422, angeordnet. Die Kernstopfen 330 sind mit den Öffnungen 423 im Hohlraum 422 angeordnet, (d. h. den Teilen des Hohlraums 422 auf beiden Seiten des mittleren Teils 352) winkelmäßig orientiert um die Achse 23, sodass der mittlere Teil 352 mit der Nase 470 des jeweiligen Nockenvorsprungs 460A - 460D fluchtet. In dieser Position trägt der Kernstopfen 330 die Belastung der Nase 470 am besten.
In allen Ausführungsformen der 7-17 kann der orientierte Kernstopfen 230 oder 330 mit Schmieröffnungen in der Welle 412 ausgerichtet werden, wie in Bezug auf die Schmieröffnungen 40 und 340 in 5 und 6 erörtert wurde. In den Ausführungsformen der 7-17 sind die mehrfachen Kernstopfen (entweder orientierte Kernstopfen 230, 330 oder solide Kernstopfen 30, 430), die im Hohlraum 422 angeordnet sind, wesentlich identisch miteinander, was Kosteneinsparungen durch Skaleneffekte ermöglicht.
18 zeigt eine Ausführungsform einer Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 610, welche die Nockenwelle 412 der 8 mit I-Träger-förmigen Kernstopfen 330A enthält (mit einer gleichen Querschnittsform an einem Querschnitt senkrecht zur Achse 23, wie Kernstopfen 330) winkelmäßig in Ausrichtung mit den Nasen der jeweiligen Nockenvorsprünge 460A, 460B, 460C und 460D, wie in Bezug auf Kernstopfen 330 der 14-17 beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Kernstopfen 330A länger als die Kernstopfen 330 sind, sodass keine Räume zwischen den Kernstopfen 330A im Hohlraum 422 sind.
19 zeigt eine Ausführungsform einer Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 710, welche die Nockenwelle 412 der 8 mit dreiflügelig geformten Kernstopfen 230A enthält (mit einer gleichen Querschnittsform an einem Querschnitt senkrecht zur Achse 23, wie Kernstopfen 230 in 5) winkelmäßig in Ausrichtung mit den Nasen der jeweiligen Nockenvorsprünge 460A, 460B, 460C und 460D, wie in Bezug auf Kernstopfen 230 der 10-13 beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Kernstopfen 230A länger als die Kernstopfen 230 sind, sodass keine Räume zwischen den Kernstopfen 230A im Hohlraum 422 sind.
20 zeigt eine Ausführungsform einer Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 810, welche die Nockenwelle 412 der 8 mit I-Träger-förmigem Kernstopfen winkelmäßig ausgerichtet mit den Nasen der jeweiligen Nockenvorsprünge 460A, 460B, 460C und 460D, wie in Bezug auf Kernstopfen 330 der 14-17 beschrieben, mit der Ausnahme, dass an jedem Paar der Nockenvorsprünge 460A, 460B, 460C und 460D ein Satz von drei Kernstopfen angeordnet ist. Insbesondere ist ein Satz von drei Kernstopfen fluchtend mit den Nockenvorsprüngen 460A angeordnet und beinhaltet einen relativ schweren Kernstopfen 331A und zwei relativ leichte Kernstopfen 332A, einen auf jeder Seite des Kernstopfens 331A. Der Kernstopfen 331A ist relativ schwer, sodass er einen dickeren und/oder breiteren Schenkelteil aufweist (d. h. wie Schenkelteil 348 des Kernstopfens 330) als der Schenkelteil der Kernstopfen 332A, was ein größeres Flächenträgheitsmoment bei Biegebelastung um die Achse 23 sicherstellt. Alternativ könnte der Kernstopfen 331A die gleiche Querschnittsfläche und das gleiche Flächenmoment mit den Kernstopfen 332A aufweisen, jedoch ein dichteres Material sein. Der relativ schwere Kernstopfen 331A ist von den Nockenvorsprüngen 460A umgeben und daher in einem größeren belastungstragenden Teil der Nockenwelle 412 positioniert als die leichteren Kernstopfen 332A, die axial versetzt zu den Nockenvorsprüngen 460A angeordnet sind.
Ein ähnlicher Satz von drei Kernstopfen 331B, 332B, und 332B ist fluchtend mit den Nockenvorsprüngen 460B angeordnet und beinhaltet einen relativ schweren Kernstopfen 331B und zwei relativ leichte Kernstopfen 332B, einen auf jeder Seite des Kernstopfens 331B. Ein ähnlicher Satz von drei Kernstopfen 331C, 332C, und 332C ist fluchtend mit den Nockenvorsprüngen 460C angeordnet und beinhaltet einen relativ schweren Kernstopfen 331C und zwei relativ leichte Kernstopfen 332C, einen auf jeder Seite des Kernstopfens 331C. Ein ähnlicher Satz von drei Kernstopfen 331D, 332D, und 332D ist fluchtend mit den Nockenvorsprüngen 460D angeordnet und beinhaltet einen relativ schweren Kernstopfen 331D und zwei relativ leichte Kernstopfen 332D, einen auf jeder Seite des Kernstopfens 331D.
21 zeigt eine Ausführungsform einer Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 910, welche die Nockenwelle 412 der 8 mit dreiflügelig geformten Kernstopfen winkelmäßig ausgerichtet mit den Nasen der jeweiligen Nockenvorsprünge 460A, 460B, 460C und 460D, wie in Bezug auf Kernstopfen 230 der 10-13 beschrieben, beinhaltet, mit der Ausnahme, dass an jedem Paar der Nockenvorsprünge 460A, 460B, 460C und 460D ein Satz von drei Kernstopfen angeordnet ist. Insbesondere ist ein Satz von drei Kernstopfen fluchtend mit den Nockenvorsprüngen 460A angeordnet und beinhaltet einen relativ schweren Kernstopfen 231A und zwei relativ leichte Kernstopfen 232A, einen auf jeder Seite des Kernstopfens 231A. Der Kernstopfen 231A ist relativ schwer und verfügt über eine kleinere dreiflügelige Öffnung als der Kernstopfen 232A (wie die Öffnung 232 des Kernstopfens 230). Der relativ schwere Kernstopfen 231A ist umgeben von den Nockenvorsprüngen 460A und daher in einem größeren belastungstragenden Teil der Nockenwelle 412 positioniert als die leichteren Kernstopfen 232A, die axial versetzt zu den Nockenvorsprüngen 460A angeordnet sind. Ein ähnlicher Satz von drei Kernstopfen 231B, 232B, 232B ist fluchtend mit den Nockenvorsprüngen 460B angeordnet und beinhaltet einen relativ schweren Kernstopfen 231B und zwei relativ leichte Kernstopfen 232B, einen auf jeder Seite des Kernstopfens 231B.
Ein ähnlicher Satz von drei Kernstopfen 231C, 232C, 232C ist fluchtend mit den Nockenvorsprüngen 460C angeordnet und beinhaltet einen relativ schweren Kernstopfen 231C und zwei relativ leichte Kernstopfen 232C, einen auf jeder Seite des Kernstopfens 231C. Ein ähnlicher Satz von drei Kernstopfen 231D, 232D, 232D ist fluchtend mit den Nockenvorsprüngen 460D angeordnet und beinhaltet einen relativ schweren Kernstopfen 231D und zwei relativ leichte Kernstopfen 232D, einen auf jeder Seite des Kernstopfens 231D. Wie beschrieben, ermöglicht eine geringere Dichte der Kernstopfen das Verwenden von Kernstopfensätzen auf beiden Seiten des mittleren Kernstopfens oder eine kleinere Querschnittsfläche oder ein geringeres Flächenmodul unter Biegebelastung, wodurch die Gesamtmasse reduziert wird und größere Steifigkeit im Hohlraum erreicht wird, als wenn der Hohlraum zwischen den mittleren Kernstopfen leer wäre.
22 und 23 zeigen eine andere Ausführungsform einer Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 1010 mit einer Antriebsstrangwelle 1012 und einem Kernstopfen 1030. Die Welle 1012 kann einer der hierin beschriebenen Wellentypen sein, mit einer Nockenwelle, einer Ausgleichswelle, oder einer der hierin beschriebenen Getriebewellen, mit einer Öffnung mindestens an einem axialen Ende, um eine Anordnung des Kernstopfens 1030 im Hohlraum 1022 zu ermöglichen. Der Kernstopfen 1030 hat einen mittleren Teil 1052 in I-Träger-Form in einem axialen Querschnitt aus 22. Der Schenkelteil 1053 des Kernstopfens 1030 erstreckt sich entlang der Achse 23 der Welle 1012, zum Erhöhen des Biegemoduls des Kerns 1030. Eine optionale zentrale Axialöffnung 1056 durch den mittleren Teil 1052 zur Reduzierung der Masse des Kernstopfens 1030 ist ebenfalls vorgesehen. Es sollte erwähnt werden, dass mehr als zwei Schenkelteile 1053 verwendet werden können, beispielsweise wenn die Welle keiner gerichteten Belastung ausgesetzt ist. Die optimale Anzahl an Schenkeln kann vier, sechs oder acht, oder eine andere Anzahl sein. Zusätzlich sollte erwähnt werden, dass die Wellen mehrfache Kernstopfen 1030 verwenden können mit den gleichen oder unterschiedlichen Querschnittsgeometrien und Positionen entlang der Wellen, wie in 7-9, 18-21 gezeigt, um die optimale Masse für die gesamte Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 1010 zu geben. Zusätzlich kann ein Kernstopfen verwendet werden, der eine I-Träger-Form mit zwei Schenkelteilen und zwei Armteile aufweist, die sich vom mittleren Teil im Wesentlichen senkrecht zum mittleren Teil nach außen erstrecken, in einem Winkel von 90 Grad zu den Schenkelteilen. Die Armteile berühren die Innenfläche der Welle, um eine Klammerhalterung zu gewähren, und können kleiner als die Schenkelteile sein.
24 zeigt eine alternative Ausführungsform der Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 1010A mit einer Antriebsstrangwelle 1012A und einem Kernstopfen 1030A. Die Welle 1012A kann einer der hierin beschriebenen Wellentypen sein, mit einer Nockenwelle, einer Ausgleichswelle, oder einer der hierin beschriebenen Getriebewellen, mit einer Öffnung mindestens an einem axialen Ende, um eine Anordnung des Kernstopfens 1030A im Hohlraum 1022A zu ermöglichen. Der Kernstopfen 1030A weist einen mittleren Teil 1052A in I-Träger-Form in einem axialen Querschnitt auf, ähnlich wie 22, und einen umgebenden äußeren ringförmigen Ring 1054A. Eine optionale zentrale Axialöffnung 1056A durch den mittleren Teil 1052A zur Reduzierung der Masse des Kernstopfens 1030A ist ebenfalls vorgesehen.
In jeder der hierin offenbarten Ausführungsformen, wenn ein Kernstopfen mit einer axialen Öffnung verwendet wird, können ein oder mehrere Stopfen innerhalb der axialen Öffnung positioniert werden, um einen Kernstopfen innerhalb des Kernstopfens bereitzustellen. So könnte beispielsweise ein anderer Kernstopfen innerhalb der Öffnung 232 von jedem Kernstopfen 230 aus 9 positioniert werden. Der Kernstopfen innerhalb der Öffnung 232 würde die Steifigkeit der Nockenwelle 412 an den hochbelasteten Teilen weiter erhöhen, und könnte aus einem anderen Material (und/oder mit geringerer oder erhöhter Dichte) als Kernstopfen 230 bestehen.
25 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 1110, die eine Getriebewelle 1112 mit einem Hohlraum 1122 enthält, die sich von einem ersten axialen Ende 1124 zu einem zweiten axialen Ende 1126 der Getriebewelle 1112 erstreckt. Lager 1123 stützen die Welle 1112. Ein Kernstopfen 1130 ist in dem Hohlraum 1122 in Ausrichtung mit einem Zahnrad 1182 angeordnet, das an der Welle 1112 für eine Drehung mit der Welle 1112 befestigt ist. Ein weiteres Zahnrad 1184 ist ebenfalls an der Welle 1112 zur Drehung mit der Welle 1112 befestigt. Das Zahnrad 1184 hat einen unterschiedlichen Durchmesser und eine unterschiedliche Zähnezahl als das Zahnrad 1182. Dementsprechend, wenn durch ein Zahnrad 1181 Drehmoment auf das Zahnrad 1182 angewendet wird (dargestellt in der Teilansicht), überträgt das Zahnrad 1182 Drehmoment auf die Welle 1112, was zu einer Drehung der Welle führt. Das Zahnrad 1184 dreht sich mit der Welle 1112 mit derselben Geschwindigkeit wie das Zahnrad 1184, weil aber das Zahnrad 1184 einen unterschiedlichen Durchmesser und eine andere Zähnezahl aufweist, dreht sich ein anderes Zahnrad 1186 (dargestellt in der Teilansicht), das mit Zahnrad 1184 ineinandergreift, mit einer anderen Geschwindigkeit als die Welle 1112.
Die Drehmomentübertragung erzeugt auf diese Weise Torsions- und Biegebelastungen auf die Welle 1112. Durch Ausrichten des Kernstopfens 1130 mit einem Teil der Welle 1112, kann der Hohlraum 1122 mit einer Netto-Gewichtsreduzierung gleich mit der Hinzufügung des Kernstopfens 1130 größer als sonst ausgelegt werden. Eine Öffnung 1132 verläuft durch den Kernstopfen 1130. Die Öffnung 1132 kann eine beliebige Form aufweisen, einschließlich einer Rundform (nicht dargestellt) oder der allgemeinen Dreieckform aus 5. Alternativ kann ein Kernstopfen mit einer I-Träger-Form verwendet werden, wie in 6 abgebildet ist. Die Form des Kernstopfens 1130 ist wählbar, um die Ausrichtung der Schmieröffnungen in der Welle 1112 mit dem gewünschten axialen Strom in der Welle zu ermöglichen, wie in Bezug auf 5 und 6 erörtert ist.
Jede der hierin beschriebenen Eigenschaften kann mit der Getriebewelle 1112 verwendet werden. So kann beispielsweise die Welle 12 in 2 eine Getriebewelle mit mehreren Kernstopfen von unterschiedlicher Dichte, angeordnet im Hohlraum 22, darstellen. Der erste Kernstopfen 30 kann zum Beispiel mit der ersten Dichte mit den Teilen der Getriebewelle, die der größten Belastung ausgesetzt sind, ausgerichtet werden, beispielsweise durch Ausrichten des Kernstopfens mit einem Zahnrad auf der Welle, der dem höchsten Drehmoment oder der höchsten Biegekräfte und Auslenkung ausgesetzt ist, während der zweite Kernstopfen 34 mit einem Teil der Getriebewelle 1112, der geringerer Belastung ausgesetzt ist, ausgerichtet wird. Werden mehrere Teile der Welle 1112 großen Belastungen ausgesetzt sind, können mehrere Kernstopfen 30 mit diesen Teilen ausgerichtet werden, mit Leerräumen oder weniger dichten Kernstopfen angrenzend an die dichteren Kernstopfen 30. Durch Versteifung der Welle 1112 mit den Kernstopfen, wird die Durchbiegung der Welle minimiert, um die Zahnräder in entsprechender Ausrichtung mit den anderen Zahnrädern zu halten (mit Phantomlinien dargestellt), mit denen sie ineinandergreifen.
Wie im Hinblick auf die Ausführungsformen der 3 beschrieben, könnte die Getriebewelle 1112 maschinell bearbeitet oder anderweitig mit einem kleineren Außendurchmesser (d. h. dünnerer Wandung) an Teilen, die weniger beansprucht werden, ausgeführt sein. Jedes der Materialien für die hierin beschriebenen Kernstopfen kann für den Kernstopfen 1130 oder in der Getriebewelle 1112 verwendet werden. So kann beispielsweise der Kernstopfen 1130 aus Titan oder Aluminium bestehen.
Mit dem potenziell größeren Hohlraum 1122, der durch die Verwendung des Kernstopfens 1130 ermöglicht wird, ist eine größere Wärmedehnung der Wellenbaugruppe 1110 während des Betriebs möglich. Dies kann zum Aufrechthalten der Ausrichtung der Zahnräder bei hohen Betriebstemperaturen helfen. Die Massereduktion wird aufgrund des größeren Hohlraums 1122 erreicht, während die gleiche oder größere Steifigkeit der Wellenbaugruppe 1110 (im Vergleich zu einem Hohlraum kleiner als Hohlraum 1122 und ohne Kernstopfen 1130) aufgrund der strategischen Anordnung eines oder mehrerer Kernstopfen in der Öffnung an Positionen, die hoher Beanspruchung oder Umlenkung ausgesetzt sind, möglich ist.
26 ist eine weitere Ausführungsform einer Antriebsstrang-Wellenbaugruppe 1210, die eine Getriebewelle 1212 enthält, die ein Kupplungsgehäuse 1213 trägt. Die Welle 1212 weist ein erstes axiales Ende 1224 und ein zweites axiales Ende 1226 auf. Eine Kupplung 1216 kann einrasten, um ein Zahnrad oder eine andere drehende Komponente mit der Welle 1212 zu verbinden, oder um die Welle 1212 mit einem stationären Element zu erden. Träger 1217 umgeben die Welle 1212 und unterstützen ihre Drehung um die Achse 23 relativ zu den Trägern 1217. Eine Antriebsverbindung 1215 ist mit der Welle 1212 verzahnt. Ein Kernstopfen 1230 ist in einem Hohlraum 1222 der Welle 1212 angeordnet, um die Versteifung der Welle 1212 im Bereich der hohen Belastung und Spannung, angrenzend an das Kupplungsgehäuse 1213, sicherzustellen. Wie in Bezug auf die anderen Ausführungsformen hierin beschrieben, kann der Kernstopfen 1230 aus einem anderen Material gefertigt sein, und eine unterschiedliche Dichte oder eine unterschiedliche Querschnittsfläche als die Welle 1212 aufweisen.
Dementsprechend beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer Wellenbaugruppe das Konfigurieren einer Welle 12, 112, 312, 412, 1012, 1012A, 1112, 1212, mit einem Hohlraum 22, 422, 1022, 1122, 1222, der sich mindestens teilweise von einem ersten axialen Ende zu einem zweiten axialen Ende der Welle erstreckt, und mit einer Öffnung mindestens entweder am ersten axialen Ende oder am zweiten axialen Ende. Das Verfahren umfasst weiterhin die Anordnung eines Kernstopfens 30, 230, 230A, 330, 330A, 331A, 332A, 430, 1030, 1030A, 1130, 1230 im Hohlraum durch Ausrichten des Kernstopfens mit einem ersten Teil des Hohlraums, der einem ersten Beanspruchungsniveau ausgesetzt ist, sodass ein zweiter Teil des Hohlraums, der einem zweiten Beanspruchungsniveau, der geringer ist als das erste Beanspruchungsniveau, ausgesetzt ist, leer ist oder gegebenenfalls im Inneren über einen zweiten Kernstopfen von geringerer Dichte verfügt, mit einer unterschiedlichen Querschnittsfläche oder einem anderen Flächenmodul, oder eine beliebige Kombination der drei, als der erste Kernstopfen.
Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Orientieren der vorgegebenen Querschnittsform der Öffnung des Kernstopfens um die Drehachse in einer vorbestimmten Winkelstellung korrelierend mit einer vorbestimmten maximalen Belastung der Welle, wie in Bezug auf Kernstopfen 230 und 330 und 10-17 beschrieben ist. Die vorgegebene Winkelstellung fluchtet mit der Nase 470 eines Nockenvorsprungs, und mehrere zusätzliche Kernstopfen sind im Hohlraum entsprechend den mehreren zusätzlichen Nocken angeordnet. Sätze von Kernstopfen, wie die in Bezug auf 18-21 beschriebenen, können mit den Nockenvorsprüngen ohne Zwischenräume im Hohlraum zwischen den Sätzen ausgerichtet werden, oder es können Zwischenräume im Hohlraum zwischen den Kernstopfen vorhanden sein. Des Weiteren kann jeder der hierin beschriebenen Kernstopfen (ob solide oder mit einer spezifischen Geometrie, ausrichtbar in Bezug auf die Last) in Bereichen mit relativ hoher Belastung oder Spannung angeordnet werden, und rohrförmige Stopfen (d. h. Kernstopfen mit einer kreisförmigen mittleren Öffnung) können zwischen den soliden oder orientierten Kernstopfen angeordnet werden, um größere Steifigkeit im Vergleich zu einem Hohlraum zwischen den soliden oder orientierten Kernstopfen zu gewährleisten.
Das Verfahren beinhaltet die Ausrichtung der jeweiligen vorbestimmten Winkelstellung der Öffnung jeder der mehreren zusätzlichen Kernstopfen mit der Nase des jeweiligen Nockenvorsprungs, dem der Kernstopfen entspricht. Das Verfahren kann weiterhin das Ausrichten des Kernstopfens mit einer Schmieröffnung in der Welle beinhalten, wie in Bezug auf die Schmieröffnungen 40, 340 in 5 und 6 beschrieben.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren das Gießen oder Schmieden der Welle 12, 112, 312, 412, 1012, 1012A, 1112, 1212 beinhalten. In einer Ausführungsform kann der Hohlraum 22, 422, 1022, 1122, 1222 in die gegossene oder geschmiedete Welle gebohrt werden. In einer anderen Ausführungsform, wenn die Welle gegossen ist, kann der Kernstopfen in den Hohlraum gegossen werden, durch Anordnen des Kernstopfens in eine Form, in welche die Kurbelwelle gegossen ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Welle um den Kernstopfen gegossen und gegebenenfalls einen temporären Kern aus Sand oder Wachs. Der Kernstopfen bleibt im Gussteil, während der temporäre Kern entfernt wird. In einer anderen Ausführungsform kann ein temporärer Kern, beispielsweise ein Sandkern oder ein Wachskern, in die Form eingesetzt werden, wenn die Welle gegossen wird, um den Hohlraum zu formen. Nachdem die Welle gegossen wurde, wird der Kern entfernt und danach wird der Kernstopfen in den Hohlraum durch Gießen oder Presspassung eingesetzt.
Der Bezug folgt nun zu 27 bei der Beschreibung einer zusammengesetzten Fahrzeug-Welle 2000 in Form einer zusammengesetzten Kardanwelle oder Antriebswelle 2010. Der Begriff zusammengesetzt soll im Rahmen der folgenden exemplarischen Ausführungsformen verstanden werden als Beschreibung einer aus zwei Materialien gebildeten Fahrzeug-Welle, wobei jedes Material ausgewählte und wünschenswerte Eigenschaften bereitstellt. Wie nachfolgend erkennbar werden wird, ist der erste Teil der Fahrzeug-Welle aus einem leichten Material gefertigt oder besitzt eine Geometrie für eine stützende Struktur, während ein zweiter Abschnitt der Welle aus einem anderen Material besteht, das die gewählten Eigenschaften der Festigkeit, Steifigkeit und/oder Flexibilität bereitstellt. Die zusammengesetzte Antriebswelle 2010 enthält einen Körper 2014 mit einem ersten Ende 2016, einem zweiten Ende 2017 und einem dazwischen verlaufenden Zwischenteil 2018, das eine Drehachse 2024 definiert. Das erste Ende 2016 kann eine erste Verbindung 2020 enthalten, welche die zusammengesetzte Antriebswelle 2010 mit einem Getriebe (nicht dargestellt) verbindet und das zweite Ende 2017 kann eine zweite Verbindung 2021 enthalten, welche die zusammengesetzte Antriebswelle 2010 mit dem hinteren Differential (nicht dargestellt) verbinden kann. Der Aufbau 2014 ist aus einem ersten Material, wie Aluminium, Titan, Legierungen davon oder anderen leichten Materialien, gebildet. Es ist selbstverständlich, dass die zusammengesetzte Antriebswelle 2010 in einem Fahrzeug mit Hinterrad-Antrieb, mit Frontantrieb, einem Allradfahrzeug oder einem Fahrzeug mit Heckmotor verwendet werden kann. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Verbindung 2020 die zusammengesetzte Antriebswelle 2010 mit einem Kegelrad oder einer Halbwelle (nicht dargestellt) verbinden.
Der Körper 2014 enthält eine Außenfläche 2028 und eine Innenfläche 2030, die einen Hohlraum 2031 definieren. Der Körper 2014 kann aus Stahl oder Legierungen davon geformt werden und enthält einen ersten Teil 2032, der sich axial nach außen vom ersten Ende 2016 zum zweitem Ende 2017 erstreckt, einen zweiten Teil 2033, der sich axial nach außen von zweiten Ende 2017 zum ersten Ende 2016 erstreckt, und einen dritten Teil 2034, der sich zwischen dem ersten Abschnitt 2032 und zweiten Abschnitt 2033 erstreckt. Der erste Teil 2032 kann einem ersten Niveau an Biegespannungen und/oder Verschieben ausgesetzt sein, während der dritte Teil 2034 einem zweiten Niveau an Biegespannungen und/oder Verschieben ausgesetzt sein kann, was größer als der erste Wert ist. Der zweite Teil 2033 kann Biegespannungen am ersten Niveau oder in anderer Höhe erfahren.
Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform kann der erste Teil 2032 eine erste Wanddicke 2036 definiert zwischen Außenfläche 2028 und Innenfläche 2030 aufweisen, der zweite Teil 2033 kann eine zweite Wanddicke 2037 definiert zwischen Außenfläche 2028 und Innenfläche 2030 aufweisen und der dritte Teil 2034 kann eine dritte Wanddicke 2038 definiert zwischen Außenfläche 2028 und Innenfläche 2030 aufweisen. Falls dieser dritte Teil 2034 größeren Biegespannungen ausgesetzt sein kann, kann die dritte Wanddicke 2038 größer als erste Wanddicke 2036 und die zweite Wanddicke 2037 sein. Alternativ kann der dritte Teil 2034 mit einem Außendurchmesser ausgebildet sein, der größer als die Außendurchmesser des ersten Teils 2032 und zweiten Teils 2033 ist.
Weiter gemäß einer exemplarischen Ausführungsform enthält die zusammengesetzte Antriebswelle 2010 einen ersten Kernstopfen 2044 im Hohlraum 2031 am dritten Abschnitt 2034 und kann auch einen zweiten Kernstopfen 2046 im Hohlraum 2031 am ersten Abschnitt 2032 enthalten. Wie in 27 gezeigt, kann der erste Kernstopfen 2044 einen Körperteil 2054 mit einem ersten Endteil 2056, einem zweiten Endteil 2057 und einem dazwischen verlaufenden Zwischenteil 2058 enthalten.
Der Körperteil 2054 kann aus einem zweiten Material gebildet sein, das im Allgemeinen leichter als das erste Material ist. So kann beispielsweise das zweite Material aus Aluminium, Titan oder anderen leichtgewichtigen Legierungen davon bestehen. Wie in 28 gezeigt, enthält der Körperteil 2054 einen zentralen Teil 2060, einen ersten Schenkelabschnitt 2062, sich radial nach außen vom zentralen Abschnitt 2060 erstreckend, und einen zweiten Schenkelabschnitt 2063, sich radial nach außen vom zentralen Abschnitt 2060 gegenüber dem ersten Schenkelabschnitt 2062 erstreckend. Die ersten und zweiten Schenkelabschnitte 2062 und 2063 können jeweils entsprechende Fußabschnitte enthalten, von denen einer mit 2064 am ersten Schenkelabschnitt 2062 gekennzeichnet ist. Auf diese Weise enthält der erste Kernstopfen 2044 einen im Allgemeinen I-förmigen Querschnitt. Fußabschnitte 2064 schließen sich an die Innenfläche 2030 der zusammengesetzten Antriebswelle 2010 an.
Gemäß einem weiteren Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform kann der zweite Kernstopfen 2046 ähnlich zum ersten Kernstopfen 2044 sein. Alternativ kann der zweite Kernstopfen 2046 einen Körperteil 2070 aus dem zweiten Material enthalten. Der Körperteil 2070 enthält einen ersten Endteil 2072, einen zweiten Endteil 2073 und einen dazwischen verlaufenden Zwischenteil 2074 (27). Wie in 29 zu sehen, kann sich eine Durchgangsöffnung 2080 mit einer im Allgemeinen dreieckigen Querschnittsform durch das Zwischenteil 2074 erstrecken und bei jedem der ersten und zweiten Endteile 2072 und 2073 offen sein. Die Durchgangsöffnung 2080 kann einen vorbestimmten Querschnitt 2082 mit mehreren Spitzen 2084 enthalten, die selektiv relativ zur zusammengesetzten Antriebswelle 2010 ausgerichtet sein können. Es ist selbstverständlich, dass der erste Kernstopfen 2044 ähnlich zum zweiten Kernstopfen 2046 sein kann.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt einer dargestellten exemplarischen Ausführungsform in 30, kann die zusammengesetzte Fahrzeug-Welle 2010 einen Kernstopfen 2090 enthalten. Der Kernstopfen 2090 enthält einen Körperteil 2092, der aus dem zweiten Material geformt sein kann. Der Körperteil 2092 enthält einen zentralen Teil 2094 mit einem äußeren Flächenbereich 2096 und einem inneren Flächenbereich 2097, die einen Durchgang 2099 bilden. Es ist selbstverständlich, dass der zentrale Teil 2094 auch ohne einen Durchgang geformt sein kann. In der gezeigten exemplarischen Ausführungsform enthält der Kernstopfen 2090 eine Vielzahl von Schenkelteilen, von denen einer mit 2104 gekennzeichnet ist. Jeder Schenkelabschnitt 2014 enthält einen entsprechenden Fußabschnitt 2016, der an der Innenfläche 2030 der zusammengesetzten Antriebswelle 2010 eingreift. An dieser Stelle versteht es sich, dass mehrere Kernstopfen 2090a-2090i in Hohlraum 2031 der zusammengesetzten Antriebswelle 2010 aus 31 installiert sein können, wobei gleiche Ziffern entsprechende Teile in den separaten Ansichten markieren. Es wird auch darauf hingewiesen, dass der Körperteil 2092 aus verschiedenen Materialien und in einem Beispiel aus dem ersten Material geformt sein kann.
Eine zusammengesetzte Fahrzeug-Welle gemäß einem weiteren Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform ist in 32 in Form einer zusammengesetzten Übertragungswelle 2119 dargestellt. Die zusammengesetzte Übertragungswelle 2119 enthält einen Körper 2121 aus dem ersten Material. Der Körper 2121 beinhaltet ein erstes Ende 2123, ein zweites Ende 2124 und einen dazwischen verlaufenden Zwischenteil 2125. Der Zwischenteil 2125 trägt eine Zahnrad-Komponente 2128 mit einer Vielzahl von Verzahnungen 2129. Der Körper 2121 enthält eine Außenfläche 2132 und eine Innenfläche 2133, die einen Hohlraum 2135 definieren. Die zusammengesetzte Übertragungswelle 2119 enthält einen Kernstopfen 2137 im Hohlraum 2135. Der Kernstopfen 2137 kann eine Vielzahl von Formen annehmen und ist aus dem zweiten Material geformt.
An dieser Stelle sei daraufhingewiesen, dass exemplarische Ausführungsformen eine zusammengesetzte Welle aus zwei Materialien beschreiben, wobei jedes jeweils gewünschte Eigenschaften bereitstellt. Ein erster Teil der Welle ist aus einem leichten Material gefertigt oder besitzt eine Geometrie für eine stützende Struktur, während ein zweiter Teil der Welle aus einem anderen Material besteht, das die gewählten Eigenschaften der Festigkeit, Steifigkeit und/oder Flexibilität bereitstellt. Auf diese Weise kann eine leichtgewichtige zusammengesetzte Welle ausgebildet werden, um die gewünschten Betriebsparameter zu erfüllen. Es sollte auch verstanden werden, dass die Verwendung von Kernstopfen für vergrößerte Durchmesserabschnitte ermöglichen kann, einen kleineren Durchmesser zu haben, sodass Zwischenräume relativ zu einem Getriebe oder anderen Fahrzeugkomponenten verbessert werden. Es sollte weiterhin verstanden werden, das der/die Kernstopfen eine erste Dichte oder Elastizitätsmodul haben können und das die Teile der Welle, die einen Kernstopfen(s) tragen, eine zweite Dichte oder Elastizitätsmodul haben können. Weiterhin kann jeder Kernstopfen eine unterschiedliche Dichte und/oder Elastizitätsmodul haben, je nach den eingegrenzten Konstruktionsbeschränkungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 15/048322 [0001]

Claims

Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe, umfassend: einen Körper aus einem ersten Material gebildet mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einen dazwischen verlaufenden Zwischenteil, der Zwischenteil definiert eine Drehachse und enthält eine Außenfläche und eine Innenfläche, die eine Hohlraum definieren; und mindestens einen Kernstopfen aus einem zweiten Material ist in dem Hohlraum angeordnet.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 1, worin der Körper einen ersten Teil mit einer ersten Beanspruchung und ersten Verschiebung hat und einen zweiten Teil mit einer zweiten Beanspruchung und zweiten Verschiebung, die größer ist als die der ersten Beanspruchung und der ersten Verschiebung, worin mindestens ein Kernstopfen im Hohlraum am zweiten Teil angeordnet ist.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 1, worin das erste Ende eine erste Wanddicke und einen ersten Außendurchmesser aufweist und der Zwischenteil eine zweite Wanddicke und einen zweiten Außendurchmesser hat, wobei sich die zweite Wanddicke und der zweite Außendurchmesser von der ersten Wanddicke und dem ersten Außendurchmesser unterscheiden.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 3, worin das erste Ende die erste Wanddicke und der Zwischenteil die zweite Wanddicke hat, wobei die erste Wanddicke größer als die zweite Wanddicke ist.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 3, worin das erste Ende den ersten Außendurchmesser und der Zwischenteil den zweiten Außendurchmesser hat, wobei der zweite Außendurchmesser größer als der erste Außendurchmesser ist.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Kernstopfen einen ersten Endabschnitt, einen zweiten Endabschnitt, einen dazwischen verlaufenden Zwischenteil und einen Durchgang enthält, der sich mindestens teilweise vom ersten Endabschnitt zum zweiten Endabschnitt durch den Zwischenteil erstreckt.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 6, worin der Durchgang eine vorgegebene Querschnittsform positioniert um die Drehachse mit einer vordefinierten ausgewählten Ausrichtung enthält.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Kernstopfen einen zentralen Teil und mindestens zwei Schenkelabschnitte enthält.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Kernstopfen eine Vielzahl von Kernstopfen umfasst.
Zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe nach Anspruch 1, worin die zusammengesetzte Fahrzeug-Wellenbaugruppe entweder eine Antriebswelle oder eine Übertragungswelle definiert.