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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleichlaufgelenk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Gleichlaufgelenke werden beispielsweise in Seitenwellen und Antriebswellen von Kraftfahrzeugen eingesetzt, um eine Drehmomentübertragung unter gleichzeitigem Längs- und/oder Winkelausgleich zu ermöglichen.
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Herkömmlicherweise kommen hierfür im Fahrzeugbau vor allem Gleichlaufkugelgelenke und Tripodegelenke zum Einsatz.
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Ferner sind im Zusammenhang mit Antriebswellen sogenannte Hardyscheiben bekannt, welche im Vergleich zu Gleichlaufgelenken jedoch nur sehr kleine Winkelversätze bis zu etwa 3° ausgleichen können.
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Ein Gleichlaufgelenk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ist aus
DE 33 27 825 C2 bekannt. Bei diesem sind die Faserwicklungen als Schlingenpakete ausgebildet, welche jeweils ein Paar aus einem äußeren und inneren Widerlager umschlingen. Sämtliche Fasern der Schlingenpakete verlaufen jeweils in einer Radialebene senkrecht zur Drehachse des Gelenks.
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Ein weiteres Gelenk, bei welchem Widerlager durch Schlingenpakete verbunden und in eine gummielastische Ummantelung eingebettet sind, ist aus
DE 10 2014 016 829 A1 bekannt. Auch hier verlaufen sämtliche Fasern der Schlingenpakete jeweils in einer Radialebene senkrecht zur Drehachse des Gelenks.
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Aus
WO 2014/185 778 A1 ist ein Gelenk bekannt, bei dem Faserwicklungen beispielsweise aus Glas- oder Kohlefasern über die Fläche einer Scheibe gelegt und in ein thermoplastisches Material eingebettet sind. Die Fasern verlaufen dementsprechend jeweils in einer Radialebene des Gelenks.
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Auch in
DE 30 25 148 A1 und
DE 31 31 694 A1 sind Gelenke mit Faserwicklungen beschrieben, bei denen die Fasern jeweils in einer Radialebene senkrecht zur Drehachse des Gelenks verlaufen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Alternativen aufzuzeigen, welche einen größeren Längen- und/oder Winkelausgleich ermöglichen.
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Dazu wird ein Gleichlaufgelenk in Faserverbundbauweise zum Längs- und/oder Winkelausgleich gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Dieses umfasst eine Anordnung aus Widerlagern, Fasern, welche unter an dem Gleichlaufgelenk anliegenden Drehmoment lasttragend in Faserwicklungen um die Widerlager gelegt sind, und eine Matrix aus Elastomermaterial, in welche die Widerlager und Fasern eingebettet sind.
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Unter Drehmoment tragen die Faserwicklungen die Belastung, während die Matrix aus Elastomermaterial die Bauteilform vorgibt. Das erfindungsgemäße Gleichlaufgelenk ist ein Integralbauteil, das sich unter Last gezielt verformt und ohne relativ zueinander bewegte Bauteile, insbesondere ohne Wälzkörper oder dergleichen auskommt.
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Zudem weisen an dem Gleichlaufgelenk zumindest einige der Faserverwicklungen, vorzugsweise der überwiegende Teil derselben oder alle, zwischen den Widerlagern einen Versatz in Längsrichtung des Gleichlaufgelenks auf. Hierdurch lässt sich ein besonders großer Längen- und/oder Winkelausgleich erzielen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Insbesondere können zumindest einige der Faserwicklungen, vorzugsweise der überwiegende Teil derselben oder alle, zwischen radial weiter außen liegenden Widerlagern und radial weiter innen liegenden Widerlagern hin und her mäandern. Dies begünstigt ebenfalls einen besonders großen Längen- und/oder Winkelausgleich durch das Gleichlaufgelenk. Die Widerlager können hierzu beispielsweise sternförmig angeordnet sein.
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Weiterhin können die Faserwicklungen in ihrem Verlauf von einem radial weiter innen liegenden Widerlager zu einem radial weiter außen liegenden Widerlager mit einer Radialebene des Gleichlaufgelenks einen Neigungswinkel im Bereich von 10 bis 50°, vorzugsweise 15 bis 30° einschließen. Innerhalb dieses Bereichs kann der Neigungswinkel auf den jeweiligen Anwendungsfall und die zugrunde liegenden Anforderungen abgestimmt werden. Dies trägt ebenfalls zu einem besonders großen Längen- und/oder Winkelausgleich bei.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass zur gelenkigen Kopplung eines ersten und zweiten Bauteils radial außen liegende Widerlager Befestigungspunkte für ein erstes Bauteil bilden und radial innen liegende Widerlager Befestigungspunkte für ein zweites Bauteil bilden. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau des Gleichlaufgelenks, da zusätzliche Anbindungsstrukturen für das erste und zweite Bauteil entfallen können.
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Die Widerlager können beispielsweise als Hülsen ausgebildet sein, wodurch eine Befestigung an einem Flansch eines ersten oder zweiten Bauteils mittels eines Spannbolzens erfolgen kann. Jedoch sind auch andere Formgebungen für die Widerlager möglich. Beispielsweise kann ein Widerlager als Bolzen mit an diesem ausgebildeten Gewinde oder dergleichen ausgeführt sein.
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Die Fasern sind bevorzugt Kohlenstofffasern. Jedoch sind auch andere Fasertypen einsetzbar.
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Dabei kann eine chemische Bindung oder Verbindung zwischen den Fasern oder einer Gewebeeinlage und dem Material der Matrix vorgesehen sein.
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Weiterhin wird vorliegend eine Gelenkwelle vorgeschlagen, welche ein Gleichlaufgelenk nach einem der vorgenannten Ansprüche und eine Welle, welche mit dem Gleichlaufgelenk drehfest verbunden ist, umfasst.
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An der Welle kann ein zweites Gleichlaufgelenk befestigt sein, welches in herkömmlicher Art und Weise als Gleichlaufkugelgelenk oder Tripodegelenk ausgebildet ist, jedoch auch in der oben erläuterten Art und Weise als Gleichlaufgelenk in Faserverbundbauweise ausgeführt sein kann.
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In einer Ausführungsvariante weist die Welle einen Flansch auf, an dem das Gleichlaufgelenk über radial innenliegende Widerlager befestigt ist. Es ist auch möglich, an der Welle zur Befestigung des Gleichlaufgelenks zwei Flansche vorzusehen, zwischen welchen das Gleichlaufgelenk mit radial innenliegenden Widerlagern eingespannt ist, um eine bessere Krafteinleitung zu ermöglichen.
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Ein Flansch kann beispielsweise durch radiale Laschen an der Welle gebildet werden, wobei das Gleichlaufgelenk für die Laschen Ausnehmungen zum Durchtritt in Längsrichtung des Gleichlaufgelenk aufweist. Bei der Montage können die Laschen durch die Ausnehmungen axial hindurchgeführt werden, um danach durch eine kleine Relativverdrehung zwischen Welle und Gleichlaufgelenk in ihre Befestigungsposition zu gelangen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
- 1 eine räumliche Ansicht eines Ausführungsbeispiels für ein Gleichlaufgelenk in Faserverbundbauweise,
- 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verlaufs der Faserwicklungen,
- 3 eine weitere schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verlaufs der Faserwicklungen,
- 4 eine Ansicht eines Widerlagers in Form einer Hülse, und in
- 5 ein Ausführungsbeispiel für eine Gelenkwelle mit zwei Gleichlaufgelenken in Faserverbundbauweise.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt ein Gleichlaufgelenk 1 in Faserverbundbauweise zum Längs- und/oder Winkelausgleich, das beispielsweise in einem Kraftfahrzeug anstelle eines Tripodegelenks oder auch eines Gleichlaufkugelgelenks zum Einsatz kommen kann.
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Insbesondere ist es möglich, mit einem solchen Gleichlaufgelenk 1 in Faserverbundbauweise einen Winkelversatz über einen Bereich von bis zu 45° auszugleichen.
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Das Gleichlaufgelenk 1 in Faserverbundbauweise weist eine Anordnung von Widerlagern 2 auf, welche in eine Matrix 3 aus Elastomermaterial eingebettet ist.
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Die Widerlager 2 dienen als Stützstellen für Faserwicklungen 4, welche um die Widerlager 2 gelegt sind.
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Die Anordnung der Faserwicklungen 4 um die Widerlager 2 erfolgt dabei derart, dass die Fasern unter an dem Gleichlaufgelenk 1 anliegendem Drehmoment lasttragend sind, d.h. auf Zug belastet werden.
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Die Faserwicklungen 4 bestehen vorzugsweise aus Kohlenstofffasern. Jedoch sind auch andere Fasermaterialien verwendbar. Insbesondere können auch gewobene Fasern verwendet werden. Zudem ist es möglich, Gewebeeinlagen hierfür zu verwenden.
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Die Faserwicklungen 4 sind wie die Widerlager 2 in die Matrix 3 aus Elastomermaterial eingebettet. Das Elastomermaterial besitzt vorliegend vorwiegend die Funktion, die Bauteilform vorzugeben. Zudem werden hierdurch die Faserwindungen 4 sowie etwaige Gewebeeinlagen geschützt.
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Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Widerlager 2 sternförmig angeordnet, ohne dass die Erfindung jedoch auf eine solche Anordnung beschränkt wäre. Insbesondere ist es möglich, auch andere Anordnungsmuster für die Widerlager 2 zu wählen.
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Wie insbesondere 2 zeigt, mäandern die Faserwicklungen 4 zwischen radial weiter außen liegenden Widerlagern 2a und radial weiter innen liegenden Widerlagern 2b hin und her. Hierdurch werden vorzugsweise benachbarte Widerlager 2a und 2b miteinander verbunden. Das Wicklungsmuster kann dabei nach dem jeweiligen Bedarf des Längen- und/oder Winkelausgleichs gewählt werden, um das Verformungsverhalten des Gleichlaufgelenk 1 gezielt zu beeinflussen.
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Wie 3 entnommen werden kann, können zumindest einige, vorzugsweise aber der überwiegende Teil oder auch alle Faserwicklungen 4 so verlaufen, dass diese zwischen den Widerlagern einen Versatz s in Längsrichtung des Gleichlaufgelenks 1 aufweisen. Unter der Längsrichtung des Gleichlaufgelenks 1 wird vorliegend der Verlauf der Drehachse A bei gestrecktem Gleichlaufgelenk 1 verstanden.
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Aus diesem Versatz s resultiert eine Neigung der Faserverlaufsrichtung zur Radialebene E des Gleichlaufgelenk 1. Vorzugsweise schließt der Verlauf einer Faserwicklung 4 von einem radial weiter innen liegenden Widerlager 2b zu einem radial weiter außen liegenden Widerlager 2a mit der Radialebene E des Gleichlaufgelenks 1 einen Neigungswinkel α im Bereich von 10 bis 50°, vorzugsweise 15 bis 30° ein.
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Die Anlenkung der Faserwicklungen 4 an den Widerlagern 2 erfolgt vorzugsweise konzentriert in einem in einem Mittelabschnitt des jeweiligen Widerlagers 2 um eine besonders hohe Gelenkigkeit zu erzielen.
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Gegebenenfalls können zusätzliche stützende Faserwicklungen oder auch Einleger aus Fasergewebe in die Matrix 3 eingebettet sein, welche vorliegend jedoch nicht näher dargestellt sind.
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Die Widerlager 2 können gleichzeitig als Befestigungspunkte für die Anbindung eines ersten und zweiten Bauteils dienen. So können bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die radial außen liegenden Widerlager 2a Befestigungspunkte für ein erstes Bauteil bilden während die radial innen liegenden Widerlager 2b Befestigungspunkte für ein zweites Bauteil bilden, das mit dem ersten Bauteil über das Gleichlaufgelenk 1 verbunden werden soll. Es ist auch möglich, lediglich ein Teil der Widerlager 2 als Befestigungspunkte zu verwenden.
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Zum Zweck der Befestigung sind die dargestellten Widerlager 2 als Hülsen 5 mit einer Durchgangsöffnung 6 ausgebildet, wodurch diese beispielsweise jeweils mittels eines Spannbolzens gegen ein erstes oder zweites Bauteil verspannt werden können.
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Die Hülsen 5 können aus einem Kunststoff oder aus Metall gefertigt sein.
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Ein Beispiel für ein solches in Form einer Hülse 5 ausgebildeten Widerlagers 2 ist in 4 dargestellt. Die Hülse 5 weist in einem Mittelabschnitt an ihrem Außenumfang eine Ringnut 9 auf, um welche die Faserwicklungen 4 geschlungen werden. Im Übrigen kann der Außenumfang der Hülse 5 zylindrisch ausgebildet sein. Die Ringnut 9 erleichtert die Lagefestlegung der Faserwicklungen 4 beim Legen der Wicklungen zwischen den Widerlagern 2.
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Am Gelenk 1 weisen die Ringnuten 9 der radial weiter außen liegenden Widerlager 2a zu den Ringnuten 9 der radial weiter innen liegenden Widerlager 2b axial einen Versatz auf.
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Die Widerlager 2 können jedoch auch eine andere Formgebung als dargestellt aufweisen. Beispielsweise ist es möglich, diese als Bolzen oder Ähnliches auszuführen, welche zum Zweck der Befestigung beispielsweise Gewindeabschnitte besitzen.
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In 5 ist beispielhaft die Einbeziehung eines solchen Gleichlaufgelenks 1 in Faserverbundkonstruktion in eine Gelenkwelle 10 dargestellt.
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Die Gelenkwelle 10 weist neben dem Gleichlaufgelenk 1 eine Welle 11 auf, die mit dem Gleichlaufgelenk 1 drehfest verbunden ist.
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Die Welle 11 ist vorzugsweise als Hohlwelle ausgebildet. Sie kann ebenfalls in Faserverbundbauweise hergestellt sein. Eine Ausführung als Vollwelle ist ebenfalls möglich. Weiterhin kann gegebenenfalls eine Zentrierung beider Enden der Welle 11 vorgesehen werden, um Vibrationen vorzubeugen. Weiterhin ist eine Zentrierung beider Enden der Welle 11 zueinander möglich, um beispielsweise Vibrationen vorzubeugen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Welle 11 zwei Flansche 12 zur Befestigung des Gleichlaufgelenks 1 auf.
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Zumindest einer der beiden Flansche 12, vorzugsweise derjenige, welcher näher an einem Ende der Welle 11 angeordnet ist, wird durch mehrere radiale Laschen 13 gebildet.
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Das Gleichlaufgelenk 1 weist eine zentrale Öffnung 7 für die Aufnahme der Welle 11 auf.
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Zudem sind an dem Gleichlaufgelenk 1 um die zentrale Öffnung 7 Ausnehmungen 8 für die Laschen 13 vorgesehen, welche einen Durchtritt der Laschen 13 in Längsrichtung des Gleichlaufgelenks 1 gestatten.
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Nach einem axialen Aufschieben des Gleichlaufgelenks 1 auf die Welle 11 zwischen die beiden Flansche 12 kann durch eine Relativverdrehung um die Drehachse A zwischen Gleichlaufgelenk 1 und Welle 11 die Befestigungsposition erreicht werden, in welcher die Laschen 13 der Flansche 12 die zugehörigen radial innen liegenden Widerlager 2b überlappen. Letztere werden anschließen, beispielsweise mittels eines Spannbolzen, zwischen den gegenüberliegenden Laschen 13 der Flansche 12 verspannt.
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In Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist eine Befestigung auch über lediglich einen Flansch 12 möglich.
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Zudem kann das Gleichlaufgelenk 1 auch in anderer Art und Weise drehfest mit der Welle 11 verbunden werden.
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Die Gelenkwelle 10 weist vorzugsweise ein zweites Gleichlaufgelenk 14 auf, das wie vorstehend beschrieben als Gleichlaufgelenk in Faserverbundbauweise ausgeführt sein kann. Es ist jedoch auch möglich, das zweite Gleichlaufgelenk 14 in der Art eines herkömmlichen Gleichlaufkugelgelenks oder Tripodegelenks auszuführen.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen und weiteren Abwandlungen näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele und Abwandlungen dienen dazu, die Ausführbarkeit der Erfindung zu belegen. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiter Einzelmerkmale erläutert wurden, können auch unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, selbst wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die konkret beschrieben Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleichlaufgelenk
- 2
- Widerlager
- 2a
- radial außen liegendes Widerlager
- 2b
- radial innen liegendes Widerlager
- 3
- Matrix aus Elastomermaterial
- 4
- Faserwicklung
- 5
- Hülse
- 6
- Durchgangsöffnung
- 7
- zentrale Öffnung
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Ringnut
- 10
- Gelenkwelle
- 11
- Wellen
- 12
- Flansch
- 13
- Lasche
- 14
- zweites Gleichlaufgelenk
- A
- Drehachse des Gleichlaufgelenks 1 bei gestrecktem Gelenk (Längsrichtung)
- E
- Radialebene
- s
- Versatz in Längsrichtung
- α
- Neigungswinkel
