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Die Erfindung betrifft eine seitliche Antriebswelle eines Antriebsstranges, die über ein innenliegendes Gleichlaufgelenk mit einer Getriebeabtriebswelle einer Antriebseinheit verbindbar ist und über ein außenliegendes Gleichlaufgelenk mit einem lenkbaren Rad verbunden ist.
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Anfangs waren die Entwicklungsarbeiten im Rahmen der Fahrzeugakustik ausschließlich auf die Geräuschminderung fokussiert. Im Vordergrund standen dabei zunächst die Brennkraftmaschine als die dominierende Geräuschquelle des Kraftfahrzeuges und später auch die Nebenaggregate als Geräuschquellen, die maßgeblich zur Gesamtgeräuschemission beitragen.
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Zunehmend wird versucht, die vom Kraftfahrzeug verursachten Geräusche nicht nur zu mindern, sondern gezielt zu beeinflussen bzw. zu nutzen, was gemeinhin auch als Geräuschdesign bzw. Sounddesign bezeichnet wird. Motiviert werden diese Entwicklungsarbeiten durch die Erkenntnis, dass die Kaufentscheidung eines potentiellen Kunden beim Erwerb eines Fahrzeuges nicht unwesentlich vom Geräusch der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs beeinflusst wird. So bevorzugt der Fahrer eines Sportwagens ein Fahrzeug bzw. einen Motor, dessen Geräusch den sportlichen Charakter des Fahrzeuges unterstreicht.
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Als Geräuschquellen an einem Kraftfahrzeug können grundsätzlich Luftschallquellen und Körperschallquellen unterschieden werden.
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Zu den Luftschallquellen zählen beispielsweise das Ansauggeräusch, das Auspuffmündungsgeräusch und das Lüftergeräusch des Kühlers, wohingegen zu den Körperschallquellen insbesondere der über die Motorlager an die Karosserie angebundene Antriebsstrang sowie die abrollenden und ebenfalls an der Karosserie gelagerten Reifen gehören.
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Die durch Stöße und Wechselkräfte zu Körperschallschwingungen angeregte Motorstruktur strahlt über ihre Motoroberflächen den Körperschall als Luftschall ab und generiert auf diese Weise das eigentliche Motorgeräusch.
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Die wichtigsten Bauteile mit Stoß- und Kraftanregung sind das Kurbelgehäuse, der Zylinderblock, der Zylinderkopf, der Kurbeltrieb, der Kolben und der Ventiltrieb. Diese Bauteile sind den Massen- und Gaskräften ausgesetzt.
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Die Kurbelwelle bildet zusammen mit den an ihr angekoppelten Triebwerksteilen ein schwingungsfähiges System. Dabei wird die Kurbelwelle durch die sich zeitlich verändernden Drehkräfte, welche über die an den einzelnen Kurbelzapfen angelenkten Pleuelstangen in die Kurbelwelle eingeleitet werden, zu Drehschwingungen angeregt. Die Drehschwingungen der Kurbelwelle führen dabei sowohl zu Geräuschen durch Körperschallabstrahlung als auch zu Geräuschen durch Körperschalleinleitung in die Karosserie und in die Brennkraftmaschine.
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Bei Anregung der Kurbelwelle im Eigenfrequenzbereich kann es dabei zu hohen Drehschwingungsamplituden kommen, die sogar zum Dauerbruch führen können.
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Aufgrund der hohen dynamischen Belastung der Kurbelwelle durch die Massen- und Gaskräfte sind die Konstrukteure bei der Auslegung der Brennkraftmaschine bemüht, einen möglichst weitgehenden d.h. optimierten Massenausgleich zu realisieren. Dabei werden unter Massenausgleich sämtliche Maßnahmen zusammengefasst, die die Wirkung der Massenkräfte nach außen kompensieren bzw. verringern. In diesem Zusammenhang werden die Kröpfung der Kurbelwelle, die Anzahl und die Anordnung der Zylinder und die Zündfolge der einzelnen Zylinder in der Weise gewählt, dass ein möglichst optimaler Massenausgleich erzielt wird.
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Die Drehschwingungen der Kurbelwelle führen zu Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine und werden über den Steuertrieb bzw. Nockenwellenantrieb auch auf die Nockenwelle übertragen, wobei die Nockenwelle selbst auch ein schwingungsfähiges System darstellt und weitere Systeme, insbesondere den Ventiltrieb, zu Schwingungen anregen kann. Die Einleitung von Schwingungen in andere Nebenaggregate via von der Kurbelwelle angetriebene Zugmitteltriebe ist ebenfalls möglich. Zudem werden die Schwingungen der Kurbelwelle in den Antriebsstrang eingeleitet, über welchen eine Weiterleitung in das Getriebe und die Antriebswellen bis hin zu den Reifen eines Fahrzeuges erfolgen kann.
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Zur Minderung von Drehzahlschwankungen wird die Masse des schwingungsfähigen Systems durch Anordnen eines Schwungrades auf der Kurbelwelle erhöht. Infolge der größeren Masse verfügt das System über eine erhöhte Trägheit. Die Drehbewegung der Kurbelwelle wird gleichförmiger.
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Wird das Schwungrad, welches in der Regel auf der einen Seite an der Kurbelwelle befestigt und auf der anderen Seite über die Kupplung mit dem Getriebe verbunden ist, als Zweimassen-Schwungrad ausgeführt, übernimmt das Schwungrad zusätzlich die Funktion eines Schwingungsdämpfers, welcher die Drehschwingungen zwischen Kupplung und Antrieb mindert.
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Um die Drehschwingungen der Kurbelwelle bzw. im Antriebsstrang zu dämpfen, können Drehschwingungsdämpfer, d.h. Torsionsschwingungsdämpfer, vorgesehen werden. Infolge einer Relativbewegung der Masse des Schwingungsdämpfers zur Kurbelwelle wird ein Teil der Drehschwingungsenergie durch Reibungsarbeit abgebaut.
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Die Entwicklungsarbeiten hinsichtlich der Geräuschminderung des Motors haben dazu geführt, dass der Geräuschanteil des Motors, d.h. das eigentliche Motorengeräusch, stetig abnahm. Moderne Kraftfahrzeuge sind in der Regel mit sehr laufruhigen Brennkraftmaschinen ausgestattet, deren Betriebsgeräusch im Fahrzeuginnenraum kaum mehr wahrnehmbar ist bzw. unter Umstanden sogar von anderen Geräuschen wie dem Geräusch der abrollenden Räder, der Lüftung oder dergleichen übertönt wird.
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Von besonderer Bedeutung für den akustischen Fahrkomfort ist - neben der Körperschalleinleitung über die Motorlagerung - die Körperschalleinleitung via die seitlichen Antriebswellen in die Lagerung und die Aufhängung der Reifen bzw. Räder und von dort in die Karosserie. Die via die seitlichen Antriebswellen eingetragenen Schwingungen können im Einzelfall am Lenkrad sowie im Sitz vom Fahrer des Kraftfahrzeuges wahrgenommen werden. Der Komfort wird dadurch in besonders nachteiliger Weise beeinflusst. Problematisch in diesem Zusammenhang ist insbesondere das Schwingungsverhalten bzw. Geräuschverhalten im Leerlaufbetrieb einer Brennkraftmaschine mit Automatikgetriebe.
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Die deutsche Patentschrift
DE 33 18 449 C2 behandelt die vorstehende Problematik; wie auch die vorliegende Erfindung.
1 zeigt einen Ausschnitt des Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges, nämlich die Lagerung
13,
14 und Aufhängung
15 eines lenkbaren Rades
9 an der Karosserie
2 mitsamt der zugehörigen seitlichen Antriebswelle
6.
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Dargestellt ist eine Antriebseinheit 1 eines Kraftfahrzeuges mit Frontantrieb, welche unter Verwendung von Gummipuffern 3 als Motorlager am Fahrgestell 2 gelagert ist. An jeder Seite der Antriebseinheit 1 ist eine Getriebeabtriebswelle 4 quer angeordnet, welche über ein innenliegendes Gleichlaufgelenk 5 mit einer seitlichen Antriebswelle 6 verbunden ist. Die seitliche Antriebswelle 6 ist wiederum über ein außenliegendes Gleichlaufgelenk 7 mit einem Achszapfen 8 verbunden, welcher ein lenkbares Rad 9 aufnimmt und antreibt.
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Der Achszapfen 8 dreht sich in einem Achsschenkel 10, welcher über ein oberes und ein unteres Kugelgelenk 11, 12 am äußeren Ende von zwei Querlenkern 13, 14 schwenkbar gelagert ist. An ihrem inneren Ende sind die beiden Querlenker 13, 14 gelenkig am Fahrgestell 2 befestigt. Zwischen dem oberen Querlenker 13 und dem Fahrgestell 2 ist eine Aufhänge- und Federungsvorrichtung 15 angeordnet.
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Das innenliegende Gleichlaufgelenk 5 wird regelmäßig als Tripode-Verschiebegelenk 5 ausgebildet, welches eine Tripode und eine Tulpe umfasst. Die axiale Verschiebbarkeit des Tripodegelenks 5 verhindert die Einleitung von Axialschwingungen (siehe Doppelpfeil f) in die seitliche Antriebswelle 6 bzw. filtert die Schwingungen in axialer Richtung heraus.
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Radialschwingungen der Getriebeabtriebswelle 4 werden hingegen via dem innenliegenden Gleichlaufgelenk 5 ungehindert, d.h. ungefiltert in die seitliche Antriebswelle 6 eingeleitet. Diese Radialschwingungen (siehe Pfeile F) werden von der starren seitlichen Antriebswelle 6 vom innenliegenden Gleichlaufgelenk 5 zum radseitigen außenliegenden Gleichlaufgelenk 7 hin dynamisch übertragen und gelangen über den Achszapfen 8, den Achsschenkel 10 und die Querlenker 13, 14 in das Fahrgestell 2. Ein Teil dieser Schwingungen wird bis in das Lenkrad und den Fahrersitz weitergeleitet und vom Fahrer wahrgenommen. Der Komfort wird dadurch in besonders nachteiliger Weise beeinflusst.
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Die
DE 33 18 449 C2 schlägt zur Lösung der vorstehend dargelegten Problematik Maßnahmen vor, welche verhindern sollen, dass die Radialschwingungen den Achszapfen
8 erreichen. D.h. es wird Einfluss genommen auf den Übertragungsweg bzw. die Übertragung der Radialschwingungen.
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Zielführend soll es dabei sein, der Baugruppe umfassend die seitliche Antriebswelle 6 sowie die mit der Antriebswelle 6 verbundenen Teile, wie beispielsweise der Tripode des innenliegenden Gleichlaufgelenks 5, eine bestimmte Massenverteilung zu geben, wodurch eine dynamische Entkopplung der beiden Gleichlaufgelenke 5, 7 erreicht werden soll.
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Vor dem Hintergrund des vorstehend Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine seitliche Antriebswelle eines Antriebsstranges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die in die Radaufhängung bzw. Radlagerung und die Karosserie eingeleiteten Radialschwingungen bzw. die diese Schwingungen verursachenden Kräfte zumindest reduziert, gegebenenfalls eliminiert werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine seitliche Antriebswelle eines Antriebsstranges, die über ein innenliegendes Gleichlaufgelenk mit einer Getriebeabtriebswelle einer Antriebseinheit verbindbar ist und über ein außenliegendes Gleichlaufgelenk mit einem lenkbaren Rad verbunden ist und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - das außenliegende Gleichlaufgelenk eine Membran umfasst, wobei die seitliche Antriebswelle drehfest mit dieser Membran verbunden ist.
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Das radseitige außenliegende Gleichlaufgelenk umfasst erfindungsgemäß eine Membran, die wellenseitig angeordnet und drehfest mit der seitlichen Antriebswelle verbunden ist.
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Eine Membran zeichnet sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung dadurch aus, das die Dicke der Membran wesentlich kleiner ist als die übrigen Abmessungen, beispielsweise 30, 40 oder 50 kleiner sein kann als eine andere Abmessung der Membran, wie die Höhe, die Länge oder der Durchmesser einer kreisrunden Membran.
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Die Membran kann bei umlaufender Antriebswelle ein Drehmoment bzw. die Drehbewegung der Antriebswelle auf das Rad übertragen, bietet aber beim Einbringen eines Biegemomentes infolge der geringen Dicke und des damit einhergehenden niedrigen Flächenträgheitsmomentes wenig Widerstand gegen Verformung.
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Durch Verwenden einer Membran zur Anbindung der Antriebswelle an das außenliegende Gleichlaufgelenk, wird die seitliche Antriebswelle bzw. der Übertragungsweg zwischen Getriebeabtriebswelle und Rad biegeweicher. Die Biegesteifigkeit der Antriebswelle bzw. des Gelenks wird herabgesetzt. Die Membran ist biegeweicher, d.h. elastischer als übliche Anbindungen und gibt unter Belastung deutlicher nach, wenn radiale Kräfte von Seiten des Getriebes, d.h. via Getriebeabtriebswelle und seitlicher Antriebswelle, in die Membran des außenliegenden Gleichlaufgelenks eingeleitet werden. Die erfindungsgemäß weniger steife bzw. weniger starre Membran überträgt die für die Radialschwingungen ursächlich verantwortlichen radialen Kräfte weniger dynamisch.
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Je niedriger die Biegesteifigkeit der seitlichen Antriebswelle bzw. des Übertragungsweges ist bzw. gewählt wird desto kleiner sind die übertragenen radialen Kräfte, die via außenliegendem Gleichlaufgelenk in das Rad und via Aufhängung in die Karosserie eingeleitet und im Einzelfall bis in das Lenkrad und den Fahrersitz weitergeleitet werden.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine seitliche Antriebswelle bereitgestellt, mit der die in die Radaufhängung bzw. Radlagerung und die Karosserie eingeleiteten Radialschwingungen bzw. die diese Schwingungen verursachenden Kräfte zumindest reduziert, gegebenenfalls eliminiert werden.
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Radialschwingungen können insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Automatikgetriebe auftreten, die stillstehen und bei denen sich das Getriebe in der Schaltposition „D“ befindet. Dann üben die seitlichen Antriebswellen, die beidseitig des Getriebes vorgesehen sind und das Getriebe mit den Rädern verbinden, Kräfte auf die Antriebseinheit aus, die ein Moment um die Rollachse erzeugen und eine vertikale bzw. radiale Kraftkomponente aufweisen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle werden im Folgenden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen beschrieben.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen das außenliegende Gleichlaufgelenk eine Innennabe umfasst, wobei die Innennabe als Träger für die Membran dient.
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Der Träger muss gewährleisten, dass die Membran die Drehbewegung der umlaufenden Antriebswelle und damit ein Antriebsmoment auf das Rad übertragen kann. Darüber hinaus muss der Träger der Membran ermöglichen, sich beim Einbringen eines Biegemoments zu verformen, d.h. den notwendigen Verformungsweg bereitstellen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen die Innennabe wellenseitig einen kalottenartigen Träger ausbildet.
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Ein kalottenartiger und damit topfförmiger Träger stellt der Membran den notwendigen Verformungsweg zur Verfügung.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen der kalottenartige Träger einen kreisförmigen äußeren Rand aufweist.
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Der äußere Rand bildet eine Art Rahmen, auf den bzw. in dem die Membran aufgespannt bzw. eingespannt werden kann.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen der kreisförmige äußere Rand eine kreisrunde Membran aufnimmt. Eine kreisrunde Membran korrespondiert mit der umlaufenden Antriebswelle und den auf Kreisbahnen umlaufenden Gelenkteilen bzw. dem runden rotierenden Rad. Insbesondere lässt sich eine kreisrunde Membran ohne die unerwünschten und nachteiligen Unwuchten ausbilden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen die Membran mit einer Vielzahl von Schrauben befestigt ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen die Membran metallisch ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen die Membran aus Federstahl gefertigt ist. Federstahl wohnt eine Rückstelleigenschaft inne, welche den Federstahl nach der Deformation wieder in die ursprüngliche Form überführt, um erneut verformt werden zu können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen die Membran im unbelasteten Zustand eben ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen die seitliche Antriebswelle im unbelasteten Zustand senkrecht auf der Membran steht. Dann steht die Längsachse bzw. Drehachse der Antriebswelle senkrecht auf der Membran, d.h. in einem rechten Winkel α ≈ 90°.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen das außenliegende Gleichlaufgelenk eine Vielzahl von in einem Käfig angeordneten Kugeln umfasst. Die Kugeln dienen als Wälzkörper der Beweglichkeit des Lagers, aber auch der Kraftübertragung.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen das außenliegende Gleichlaufgelenk ein Rzeppagelenk ist, das eine Innennabe und eine Außennabe umfasst, wobei die Kugeln zwischen der Innennabe und der Außennabe angeordnet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der seitlichen Antriebswelle, bei denen das innenliegende Gleichlaufgelenk ein Tripode-Verschiebegelenk ist.
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Diese Ausführungsform bietet Vorteile hinsichtlich der Einleitung von Axialschwingungen in die Antriebswelle. Die axiale Verschiebbarkeit des Tripodegelenks verhindert nämlich die Einleitung von Axialschwingungen in die seitliche Antriebswelle bzw. filtert diese Schwingungen in axialer Richtung heraus; zumindest solange das Gelenk nicht blockiert und axial verschieblich ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt:
- 1 schematisch die Lagerung und Aufhängung eines lenkbaren Rades an der Karosserie mitsamt der seitlichen Antriebswelle sowie der Antriebseinheit gemäß der DE 33 18 449 C2 , und
- 2 schematisch eine erste Ausführungsform der seitlichen Antriebswelle eines Antriebsstranges mitsamt dem außenliegenden Gleichlaufgelenk sowie dem Achszapfen.
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1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erörtert, weshalb an dieser Stelle Bezug genommen wird auf die entsprechenden Ausführungen.
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2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der seitlichen Antriebswelle 6 eines Antriebsstranges mitsamt dem außenliegenden Gleichlaufgelenk 7 sowie dem Achszapfen 8. Es soll nur ergänzend zu 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1 und die dazugehörige Beschreibung. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die seitliche Antriebswelle 6 ist in der Einbauposition über ein innenliegendes Gleichlaufgelenk 5 mit einer Getriebeabtriebswelle 4 einer Antriebseinheit verbunden und kann mittels Getriebeabtriebswelle 4 in Drehung versetzt werden.
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Über ein außenliegendes Gleichlaufgelenk 7 ist die Antriebswelle 6 mit einem lenkbaren Rad verbunden, wobei das Rad von einem Achszapfen 8 aufgenommen wird.
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Das außenliegende Gleichlaufgelenk 7 ist vorliegend ein Rzeppagelenk 7a, das eine Innennabe 17 und eine Außennabe 18 umfasst sowie eine Vielzahl von Kugeln 19, die in einem nicht dargestellten Käfig zwischen der Innennabe 17 und der Außennabe 18 gehalten werden. Vorliegend wird die Außennabe 18 von einer Glocke 20 gebildet, die einteilig mit dem Achszapfen 8 ausgeformt ist.
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Das außenliegende Gleichlaufgelenk 7, 7a umfasst eine Membran 16, die aus Federstahl 16a gefertigt ist. Die seitliche Antriebswelle 6 ist drehfest mit dieser Membran 16 verbunden, wobei die Längsachse 6a bzw. Drehachse der seitlichen Antriebswelle 6 im unbelasteten Zustand - wie in 2 dargestellt - senkrecht auf der Membran 16 steht.
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Die Innennabe 17 des außenliegenden Gleichlaufgelenkes 7 dient als Träger für die Membran 16 und bildet zu diesem Zweck wellenseitig eine Kalotte 17a aus. Der kalottenartige Träger 17a weist einen kreisförmigen äußeren Rand auf, der die kreisrunde Membran 16 aufnimmt.
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Die auf dem äußeren Rand der Kalotte 17a aufgespannte Membran 16 überträgt die Drehbewegung einer umlaufenden Antriebswelle 6 und damit ein Antriebsmoment auf das Rad. Beim Einbringen eines Biegemoments stellt die Kalotte 17a der Membran 16 den notwendigen Verformungsweg zur Verfügung, d.h. die Membran 16 kann sich ungehindert verbiegen bzw. verformen.
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Die Längsachse der Innennabe 17 verläuft koaxial zur Längsachse 6a der Antriebswelle 6.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Karosserie, Fahrgestell
- 3
- Motorlager, Gummipuffer
- 4
- Getriebeabtriebswelle
- 5
- innenliegendes Gleichlaufgelenk, Tripode-Verschiebegelenk
- 6
- seitliche Antriebswelle
- 6a
- Längsachse der seitlichen Antriebswelle
- 7
- außenliegendes Gleichlaufgelenk
- 7a
- Rzeppagelenk
- 8
- Achszapfen
- 9
- Rad, lenkbares Rad
- 10
- Achsschenkel
- 11
- oberes Kugelgelenk
- 12
- unteres Kugelgelenk
- 13
- oberer Querlenker
- 14
- unterer Querlenker
- 15
- Aufhängevorrichtung, Federungsvorrichtung
- 16
- Membran
- 16a
- Federstahl
- 17
- Innennabe
- 17a
- Kalotte
- 18
- Außennabe
- 19
- Kugel
- 20
- Glocke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3318449 C2 [0017, 0022, 0050]
