DE102018001449A1

DE102018001449A1 - Leichtbau - Antriebswelle

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Publication number: DE102018001449A1
Application number: DE102018001449.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Antriebswellen dienen in Kraftfahrzeugen der Drehmomentübertragung von Motor bzw. Getriebe zu den Rädern und müssen möglichst torsionssteif bei gleichzeitig möglichst geringem Gewicht ausgeführt sein. Dabei müssen sie sowohl eine Winkelbewegung als auch eine Längenänderung infolge von Radeinfederung und - einlenkung aufnehmen können. Aus Leichtbaugründen werden die Verbindungselemente zwischen den beiden Gelenken als zylindrische Hohlwellen ausgebildet. Durch die ungleichmäßige Drehmomentbeaufschlagung besteht die Gefahr unerwünschter Torsionsschwingungen, die sich in einem unruhigen Fahrverhalten widerspiegeln.
Die neue Zwischenwelle soll eine möglichst hohe Steifigkeit bei gleichzeitig höherer und möglichst unterdrückter Resonanzfrequenz, bei kleinerer Resonanzamplitude und verringertem Gewicht der Zwischenwelle realisieren.
Gelöst wird diese Ausgabe durch die Ausbildung des Verbindungsrohres als ein konisches Rohr, dessen Wandstärke mit zunehmendem Rohrdurchmesser zur Seite des Gleichlaufgelenkes hin abnimmt.
Diese Anordnung ermöglicht eine höhere Steifigkeit bei reduziertem Gewicht, eine höhere Frequenz des 1. Biegekritischen Obertones und eine gewichtssparende Ausführung der Tripode als durchgehender Hohlkörper.
Das bevorzugte Anwendungsgebiet sind Zwischenwellen und Seitenwellen für PKW.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Leichtbau-Antriebswellen für die Drehmomentübertragung von einem Drehmomenterzeuger wie z.B. einem Motor bzw. dem mit ihm verbundenen Getriebe, einem Elektromotor oder einer Turbine auf die räumlich davon getrennt angeordneten Drehmomentumsetzer, wie z.B. Räder, Propeller, Zentrifugen, Verdichter o.ä.. Besonders vorteilhaft ist sie für Antriebswellen, insbesondere sogenannte Zwischenwellen, für PKW, SUV's, Vans, kleine Lieferwagen oder Sport-, Rallye- oder Rennfahrzeuge einsetzbar. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Seitenwellen bei den gleichen Fahrzeugklassen. Wegen des besonders stark ausgeprägten Zwanges zur Gewichtseinsparung zeichnen sich für die Zukunft auch Anwendungen in elektrisch oder hybrid-elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ab.
Zur Vermeidung des sogenannten „Schieberuckelns“, zur Steigerung des Fahrkomforts und zur Erhöhung der Fahrsicherheit muss der gesamte Antriebsstrang, der i.A. aus einer elastischen Reihenschaltung von Motor, Getriebe, Kardanwelle (für Hinterachsantrieb), Zwischenwelle, Seitenwelle, Radgelenk und Rädern besteht, möglichst torsionssteif und ohne Umkehrschlupf ausgeführt werden. Für den dynamischen Fahrbetrieb ist insbesondere erforderlich, dass der 1. Biegekritische Oberton der Torsionseigenschwingung des Gesamtsystems möglichst weit oberhalb der externen Anregungsfrequenzen (z.B. Radaufhängung) liegt. Zur Gewährleistung eines gleichen Fahrverhaltens sowohl in Links- als auch in Rechtskurven sollte zudem der linke Teil des Antriebsstranges genauso torsionssteif ausgebildet sein wie dessen rechter Teil. Das bedeutet, dass trotz der Notwendigkeit zum Leichtbau, die sich für rotierende Bauteile verschärft darstellt, alle Komponenten ausreichend torsionssteif ausgeführt sein müssen.
Bei modernen PKW mit quer eingebautem Frontmotor liegt der Getriebeausgang in der Regel asymmetrisch zur Fahrzeuglängsachse. Dadurch müssen die Seitenwellen links und rechts unterschiedlich lang sein. Aus Platzgründen werden sie in der Regel als Vollwellen ausgeführt. Das hat jedoch mehrere nachteilige Konsequenzen: Zum Einen liegt bei der längeren Vollwelle der 1. kritische Oberton nicht ausreichend weit oberhalb der Resonanzfrequenz des Antriebsstranges. Das führt zu einem ungünstigen NVH-Verhalten und einem unruhigen Fahrgefühl. Die auftretenden Amplituden der elastischen Auslenkungen senkrecht zur Rotationsachse müssen deshalb durch extra angebrachte Dämpfungselemente oder einen größeren Wellendurchmesser reduziert werden. Beides erhöht aber die Masse der Antriebswelle deutlich.
Einen Ausweg, der darüber hinaus noch Auslegungs- und produktionstechnische Vorteile (identische Seitenwellen rechts und links) mit sich bringt, bietet eine sogenannte Zwischenwelle, die durch ein Stützlager ortsfest am Motorgehäuse gehalten ist, und die die Längendifferenz infolge des asymmetrischen Getriebeausganges überbrückt. Um eine gleiche Steifigkeit des vorderen linken im Vergleich zum vorderen rechten Teil des Antriebsstranges zu gewährleisten, muss die Zwischenwelle besonders steif ausgeführt sein.
Solche Zwischenwellen sind nach dem Stand der Technik (H.C. Graf von Seherr-Thoss, F. Schulz, Erich Auctor: Gelenke und Gelenkwellen-Berechnung, Herstellung und Anwendungen, Springer-Verlag, ISBN-540-41759; siehe auch 1) als sogenanntes Schiebegelenk aufgebaut. Getriebeseitig wird das Drehmoment durch einen in der Regel voll ausgeführten Stummel (auch inboard-joint genannt) und über ein zylindrisches Rohr mit großer Wandstärke über eine Tripode an die nachgelagerte Seitenwelle weitergeleitet. Die Tripode (1) ist dabei als Verschiebe-Drehgelenk ausgeführt, damit sie sowohl notwendige Längen- als auch Winkelveränderungen durch Radeinfederung und Lenkeinschlag aufnehmen kann. Dazu ist die anschließende Seitenwelle mit einem sogenannten Tripodenzapfen ausgerüstet, der über drei Nadellager die nötige Längsbewegung möglichst reibungsarm und Schlupfwinkel reduziert übertragen kann. Über den Tripodenboden (43) geht die Tripode (1) in eine Vollwelle (Schaftwelle (42)) über, die sowohl die Sitzfläche (9) für das Stützlager aufnimmt, als auch die Fügestelle (6) zum Anschweißen des Rohres bereitstellt. Während die Zwischenwelle an ihrem getriebeseitigen Ende durch eine Keilnuten-Verzahnung (8) gegenüber der Drehbewegung arretiert ist, wird die tripodenseitige radiale Abstützung durch ein Stützlager (26) erreicht, das über eine Lagerstütze elastisch mit dem Motorblock verbunden ist.
Nachteilig bei dieser Ausführung der Zwischenwelle nach dem in Anwendung befindlichen Stand der Technik wirkt sich aus, dass sie als zusätzliches Bauelement unverhältnismäßig schwer ist.
Eine Leichtbauwelle mit großem Gewichtseinsparungspotential ist durch US 6, 290, 020 ( FR 9605108 ) offenbart. In einer Ausführungsform besteht die Zwischenwelle, aufgebaut aus Tripode, Verbindungsrohr und Stummel aus einem integral hohl warmgeschmiedeten Stück. Das Verbindungsrohr ist zylindrisch. Durch die Ausführung als zylindrische Hohlwelle wird allerdings eine Resonanz -Torsionsschwingung nicht vermieden. Zur Erhöhung des 1. kritischen Biegeobertones der Resonanzschwingung muss deshalb die Wandstärke dicker ausgeführt werden, als es aus alleinigen Steifigkeitsgründen sein müsste. Damit wird das Leichtbaupotential der offenbarten Leichtbauwelle nicht ausgeschöpft.
Das Ziel der Erfindung ist es, einen Aufbau für eine Leichtbauantriebswelle, insbesondere Zwischenwelle, bestehend aus einem Gleichlaufgelenk (1), einem Verbindungsrohr (16, 38) und einem Stummel (3) anzugeben, der es gestattet

• Gewicht einzusparen,
• eine möglichst hohe Steifigkeit bei minimalem Gewicht zu realisieren,
• die Resonanzfrequenz für den biegekritischen 1. Oberton zu erhöhen,
• die radiale Amplitude der Torsionsschwingung zu reduzieren und
• die zudem preisgünstig zu fertigen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Ausführung des Verbindungsrohres (16, 38) anzugeben, die bei geringem Gewicht eine höhere Steifigkeit garantiert, keine oder zumindest keine ausgeprägte Resonanzfrequenz für eine Torsionsschwingung aufweist, dessen maximale Amplitude der Biegeschwingung weitgehend unterdrückt ist, die eine bessere Werkstoffauslastung zur Folge hat und die eine ausreichend steife, aber Gewicht reduzierte Verbindung zur Tripode gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 26 ausgeführt.
Mögliche Verkörperungen der Erfindung sind in den 2, 3b, 4, 5b dargestellt, während die 1 und 5a mit dem industriell genutzten Stand der Technik bekannt machen. Die Unterschiede im Schwingungsverhalten eines torsionsbelasteten Rohres nach dem Stand der Technik und des erfindungsgemäßen konischen Verbindungsrohres im Schwingungsverhalten sind in 6 erläutert.
Zentraler Erfindungsgedanke ist, wie im Hauptanspruch 1 ausgeführt, die Einführung eines konischen Verbindungsrohres (16, 38), dessen Wandstärke t_w mit zunehmendem Durchmesser des Verbindungsrohres (16, 38) abnimmt.
Von torsionsbelasteten zylindrischen Rohren ist bekannt, dass sie eine kritische Resonanzfrequenz (n_kritT) aufweisen. Kennzeichnend ist, dass die Auslenkungsamplitude r bei Annäherung an die Resonanzfrequenz (nkrit) stark zunimmt siehe Fig. (6). Die physikalische Ursache dafür besteht darin, dass die Hohlwelle im Bereich der Resonanzfrequenz phasengerechte äußere Anregungen z.B. durch Getriebe, Tripodenzapfen und Räder verstärkt. Die maximale Auslegungsamplitude rmax wird beim 1. biegekritischen Oberton der Torsionsschwingung n_krit erreicht und hängtneben der Dämpfung durch das Verbindungsrohr selbst- stark von der elastischen und schlupffreien Anbindung der Zwischenwelle an das Getriebe ab. Diese Anregungen führen zu leichten Schwingungen im Antriebsstrang und sind im Fahrverhalten spürbar.
Wegen der starken Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Durchmesser D würde bei dem erfindungsgemäßen konischen Verbindungsrohr (16,38) theoretisch jeder Durchmesser seine eigene Resonanzfrequenz aufweisen, vorausgesetzt die Rohrlänge mit diesem Durchmesser ist größer als die Wellenlänge der Torsionsschwingung. Naturgemäß ist die Wellenlänge des 1. Biegeobertones doppelt so lang wie das Verbindungsrohr. Dadurch ist es unmöglich, dass sich eine kritische Resonanzfrequenz bei dem erfindungsgemäßen konischen Verbindungsrohr (16, 38) ergibt.
Für den Eintritt der erfindungsgemäßen Wirkung ist es unerheblich, ob das Verbindungsrohr (16, 38) aus einem Metall oder aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) hergestellt ist.
Während eine metallische Ausführung, deren besonders vorteilhafte Ausgestaltung in den Ansprüchen 4 bis 23 dargestellt ist, aus Kostengründen für die Anwendungen in der Großserie vorzuziehen ist, kann bei höheren Leichtbauanforderungen, wie z.B. im Rennsport oder der Elektromobilität, die einfache Formgestaltbarkeit eines rotationssymetrischen Hohlkörpers mit nicht konstanter Wanddicke durch FKV-Strukturen wie in Ansprüchen 24-26 dargelegt, vorteilhaft genutzt werden.
Aus Sicht des Leichtbaues und der optimalen Werkstoffausnutzung ist es nachteilig, wenn die Tripode 1 nach dem Stand der Technik (siehe 1) ausgeführt wird. Hier muss das Motor-Drehmoment über eine Vollwelle (42) und den Tripodenboden (43) bzw. Glockenschaft (34) zu den gehärteten Laufflächen (10) geführt werden. Wie in Anspruch 2 offenbart und in 2 gezeigt, ist es aus leichtbautechnischer Sicht viel günstiger, wenn die Tripode (1) bzw. Getriebelaufgelenk-Glocke (31) erfindungsgemäß als Hohlkörper (22) oder Glockenhohlkörper (37) ausgeführt werden und einen Hohlflansch (13, 37) ausbilden, der gleichzeitig die konische Schweißnahtstütze (15, 40) trägt.
Die Fügeverbindung (14) bzw. (39) zwischen der Tripode (1) bzw. dem Gleichlaufgelenk (30) mit dem konischen Verbindungsrohr (16, 38) kann dabei eine konventionelle Schweißnahtverbindung (z.B. hergestellt durch Reibschweißen, Magnet-Arc-Pressschweißen o.ä.) sein. Für höherkohlenstoffhaltige Stähle (wie z.B. C45, Cf53, 42CrMo4 o.ä.) kann entsprechend Anspruch 7, die Naht laserinduktionsgeschweißt sein.
Die Wandstärke t_w=0,5(Dr -dr) des Verbindungsrohres (16, 38) kann im einfachsten Fall entsprechend Anspruch 5 dergestalt ausgeführt sein, dass sie entlang der Achse (5) bzw. (33) umgekehrt proportional zum Durchmesser D_r abnimmt. In Anwendungen mit höheren Leichtbauanforderungen kann wie in Anspruch 4 dargelegt, sich die Wandstärke t_w=0,5(D_r -dr) des Verbindungsrohres (10 bzw. 38) mit zunehmendem Durchmesser D_r entlang der Achse (5) bzw. (33) dergestalt verringern, dass sein polares Flächenträgheitsmoment konstant bleibt.
Bei der Ausführung der Tripode (1) als Tripodenhohlkörper (22) bzw. des Gleichlaufgelenkes (30) als Glockenhohlkörper (37) muss das Innere des konischen Verbindungsrohres (16, 38) vor dem Eintritt von Schmierfett geschützt sein. Das kann günstigerweise im einfachsten Fall wie in Anspruch 6 belegt, durch ein elastisches metallisches oder nichtmetallisches Abdichtungselement (20, 41) gewährleistet sein.
Eine besonders leichtbaugerechte Lösung ergibt sich (siehe 4), wenn wie in Anspruch 8 offenbart, das konische Verbindungsrohr (16, 38) und der Stummel (3) als ein integrales Bauteil (21) ausgeführt sind und das integrale Bauteil (21) aus einem konischen Verbindungsrohr (16, 38) besteht, das auf der Stummelseite in einen hohl ausgeführten Wellenzapfen (23) übergeht und mit einer Keilwellenverzahnung (8) endet.
Dieses integrale Bauteil (21) kann, wie in den Ansprüchen 9 bzw. 10 beansprucht, als ein warm drückgewalzt oder ein warm rundgeknetetes Bauteil ausgeführt sein. Beide Verfahren weisen den Vorteil auf, dass sich damit Hohlkörper effektiv spanlos fertigen lassen. Zur Gewährleistung der Maßhaltigkeit der Innenwandung wird entsprechend den Ansprüchen 9 bzw. 10 ein Innendorn verwendet.
Da die Laufflächen für die Längsbewegung des Tripode-Sterns (10) bzw. der Führungsrillen der Kugeln (32) des Gleichlaufgelenkes (30) einer starken Wälzgleitverschleißbeanspruchung unterliegen und die Hirth-Verzahnung (8) des Stummels (3) bzw. des hohlen Wellenzapfens (23) einer hohen zyklischen Belastung widerstehen müssen, werden sie nach dem Stand der Technik induktiv gehärtet. Das hat zur Folge, dass der Tripodenhohlkörper (22), das Verbindungsrohr (16) bzw. (38) sowie der Glockenhohlkörper (37) nach Anspruch 11 aus einem Vergütungsstahl mit ausreichender Härtbarkeit und Härteannahme bestehen. Mögliche Werkstoffe sind z.B. C45, Ck45, Ck53, C67, 42CrMo4 oder ähnliche.
Für die Ausführung des integralen Bauteiles (21) aus einem warm drückgewalzten oder warm rundgekneteten Bauteil, muss der verwendete Werkstoff wie in Anspruch 12 ausgeführt, neben der Härtbarkeit auch eine ausreichende Umformbarkeit aufweisen. Mögliche Stähle, die diese Kriterien erfüllen, sind z.B. C45, 26Mn5, 26MnCr5 o.ä.. Damit wird, wie in Anspruch 14 gezeigt, eine induktiv gehärtete Hirth-Verzahnung möglich.
Eine besonders günstige Fertigungsmöglichkeit bei gleichzeitig hervorragender Belastbarkeit ergibt sich, wenn der Werkstoff für das integrale Bauteil (21) gemäß Anspruch 13 eine hochfeste bzw. ultrahochfeste Stahlgußlegierung mit erhöhter Plastizität und ausreichender Dauerschwingfestigkeit z.B. aus der Legierungsgruppe der CrMnNi-C-N-Stahlgußlegierungen gewählt wird. Für diesen Fall wird vorgeschlagen, die Hirth-Verzahnung (8) entsprechend Anspruch 15 lokal einsatzzuhärten.
Anspruch 17 macht sich zunutze, dass die Geometrie der nach dem Stand der Technik produzierten zylindrischen Verbindungsrohre (2) als Ausgangsgeometrie genutzt werden kann. Damit lassen sich Investitionskosten für neue Fertigungsanlagen sparen.
Die Herstellung dickwandiger, nahtloser Stahlrohre aus Vergütungsstählen ist jedoch vergleichsweise aufwändig und solcherart hergestellte Verbindungsrohre (2) vergleichsweise teuer.
Eine alternative Herstellungsroute für das konische Verbindungsrohr (16,38) ergibt sich gemäß Anspruch 16, wenn es aus einem laserstrahlgeschweißten Rohr besteht. Dazu wird vorteilhafter Weise als Ausgangsmaterial ein Blech ca. der Länge des konischen Verbindungsrohres (36, 38) und der Breite π · D_r gewählt, das rundgeformt wird und mittels Laserschweißen bzw. Laser-Induktionsschweißen Längsnaht geschweißt wird und anschließend seine konische Form entsprechend Anspruch 9 über Drückwalzen erhält.
Eine weitere alternative Variante zur Umgehung eines vergleichsweise teuren zylindrischen Rohres großer Wandstärke als Ausgangsform für das erfindungsgemäße konische Verbindungsrohr (16, 38) besteht gemäß Anspruch 18 darin, ein preiswertes warmgewalztes Dickblech als Ausgangsform zu verwenden. Aus diesem wird eine Ronde gedreht, die vorzugsweise mittels Warmdrückwalzen in die erfindungsgemäße konische Form abgestreckt wird.
Der Tripodenhohlkörper (2) gemäß Anspruch 19 besteht vorteilhafterweise aus einem warmgeschmiedeten Bauteil.
Auch die Ausführung des Stützlagers (27) durch ein Nadellager (20) (in 2 nicht enthalten) trägt gemäß Anspruch 20 dem Leichtbaugedanken vorteilhaft Rechnung. Darüber hinaus gewährleistet die geringe Bauhöhe eines Nadellagers im Vergleich zu einem Rillenkugellager die gleichen Anbaumaße zum Motorblock wie die Ausführung mit Rillenkugellager nach dem Stand der Technik.
Eine besonders gewichtssparende Lösung ergibt sich, wenn wie in Anspruch 21 vorgeschlagen, das Nadellager (28) als geteiltes Lager ausgeführt ist, dessen Außenring einem normalen Nadellager mit beidseitiger Berandung der Nadellaufbahnen entspricht, während das Innenlager durch die Ringzone (9) des Tripodenhohlflansches (13) gebildet wird. Dazu kann diese Ringzone (9) einsatzgehärtet oder induktionsgehärtet sein.
Durch die Vergrößerung des Durchmessers der Sitzfläche des Stützlagers (9) in der Ausführung nach dem Stand der Technik auf den erfindungsgemäß größeren Durchmesser des Hohlflansches (13) sinkt die Belastung des Stützlagers (26) signifikant. Dies und die höhere Lasttragfähigkeit eines Nadellagers erlaubt diese gewichtssparende vorteilhafte Integration des Innenringes des Nadellagers (28) in den Hohlflansch (13).
Für sehr hohe Leichtbauanforderungen kann, wie in Anspruch 4 angegeben, die Wandstärke t_w des konischen Verbindungsrohres dergestalt abnehmen, dass das polare Flächenträgheitsmoment längs der Rohrachse konstant bleibt. Um bei sehr geringen Wandstärken, die die Torsionswechselfestigkeit des Werkstoffes ausnutzen, einer Torsionsbeulung vorzubeugen und gleichzeitig sehr günstig und massesparend ein Dämpfungselement zu integrieren, kann das Verbindungsrohr (16, 38) mit einem schwingungsdämpfenden metallischen oder nichtmetallischen Schaumstoff gefüllt sein. Diese Variante wird in Anspruch 22 hinterlegt.
Im Bereich von Sport- oder Rennfahrzeugen ist der Zwang zum Leichtbau besonders groß. Darüber hinaus werden die die Antriebswellen mit viel höheren Drehzahlen beaufschlagt, was eine weitere Verbesserung und Dämpfung des Schwingverhaltens erforderlich macht. Dem kann, wie in Ansprüchen 24 bis 26 ausgeführt, mit dem Aufbau des konischen Verbindungsrohres (16, 38) als CFK-oder GFK- Hohlkörper entsprochen werden. Da die Übertragung der Drehmomente allein mit Hilfe einer Klebung eine sehr lange Klebefläche entlang der Rohrachse erfordern würden, wird in Anspruch 25 eine Kombination zwischen Formschluss und adhäsiver Verbindung durch die Klebung ausgeführt. Die Fügestützen (15, 40) können dabei mit einer wellenförmigen Verzahnung versehen sein. Diese Verbindung kann erforderlichenfalls noch durch einen aufgepressten metallischen Ring (24, 25) verstärkt sein. Das Aufpressen dieser Ringe gestaltet sich wegen der Konizität des Verbindungsrohres (16, 38) einfach.
Es ist bekannt, dass der Schweißnahtfaktor bei Bauteilen aus Vergütungsstählen nach dem Schweißen ohne nachträgliche Wärmebehandlung deutlich unter dem Wert 1 liegt. Die Auswirkung dieses Nachteiles kann vermieden werden, wenn das konische Verbindungsrohr (16) an seinem tripodenseitigen Ende gemäß Anspruch 23 eine angeformte Wanddickenvergrößerung (19) aufweist (siehe 4), die gleichzeitig als Schweißnahtvorbereitung ausgeführt ist. So kann z.B. durch die Aufdickung eine schweißtechnische Anbindungsdicke von 3,5 mm bei einer lokalen Wandstärke des konischen Verbindungsrohres (16) von 2,6 mm gewählt werden.
Ausführungsbeispiel
Der Erfindungsgedanke wird mittels nachfolgendem Ausführungsbeispiel ohne Einschränkung der Allgemeinheit erläutert. Die erfindungsgemäße Lösung ist in den Zeichnungen 2, 3b, 4, 5b näher erläutert. Im Vergleich dazu ist in 1 ein Längsschnitt der typischen Ausführung einer Zwischenwelle bestehend aus einem Tripode-Verschiebegelenk (1) einem zylindrischen Verbindungsrohr (2) und einem Stummel (3) entsprechend dem Stand der Technik dargestellt. 5a macht mit der Lösung nach dem Stand der Technik für eine Seitenwelle bekannt. Die Verbesserung des Torsions-Schwingverhaltens gegenüber dem Stand der Technik entsprechend 1 wird durch das Ergebnis der Berechnungen, entnehmbar aus 6, nachgewiesen.
Die charakteristische Verkörperung nach dem Stand der Technik besteht entsprechend 1 aus einem voll ausgeführten warmgeschmiedeten Stummel (3), einem zylindrischen Verbindungsrohr (2) und einem Gleichlaufverschiebegelenk (1) mit einer massiv ausgeführten Schaftwelle (42), die die schweißtechnische Verbindung zum zylindrischen Verbindungsrohr (2) vermittels der Fügestelle (6) gewährleistet. Für einen typischen Mittelklasse-PKW wiegt eine solche Zwischenwelle ca. 2,3-3,5 kg. Das Verbindungsrohr (2) wird durch innere Anregungen infolge der Dreizügigkeit des Drehmomenteingriffs über die drei Laufflächen (4) in der Tripode (1), durch Motor-, Getriebe- und Radanregungen zu Torsionsschwingungen angeregt. Diese Torsionsschwingungen führen zu einer Auslenkungsamplitude r, die abhängig von der Dämpfung des Gesamtsystems zu einem stark ausgeprägten Amplitudenmaximum rmax bei der kritischen Drehzahl n_kritT führen. Diese biegekritische Drehzahl wird durch eine sehr dicke Ausführung der Wandstärke des Verbindungsrohres (2), typischerweise von z.B. 5 mm zu einer möglichst hohen Drehzahl verschoben. Das hat zur Folge, dass die Wandstärke des Verbindungsrohres (2) viel dicker ausgeführt werden muss, als es eigentlich nach der zulässigen Werkstoffanstrengung nötig wäre und führt deshalb zu einem unnötig hohen Gewicht. Aus Sicht des Leichtbaues ist es darüber hinaus ungünstig, die Schaftwelle (42) als Vollwelle ausführen zu müssen und den Boden (43) der Tripode (1) massiv und über einen großen Durchmesserunterschied erstrecken zu müssen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung (siehe 2), die nach den gleichen Lastannahmen ausgelegt wurde, lassen sich durch die Einführung des konischen Verbindungsrohres (16, 38) folgende Vorteile auf sehr einfache Weise erreichen:

• Bei gleicher oder sogar bis zu 30 % höherer Steifigkeit lässt sich infolge der möglichen überproportionalen Wandstärkeverringerung mit zunehmendem Durchmesser eine Gewichtseinsparung des Rohres von ca. 10 % erzielen.
• Eine konische torsionsbelastete Antriebswelle kann - da in jedem sich entlang der Achse ändernden Querschnitt eine theoretisch andere Resonanzfrequenz herrschen würde - keine typische Resonanzschwingung des 1. biegekritischen Obertons ausbilden.
• Der große tripodenseitige Durchmesser des Rohres erlaubt es,
- - die Tripode (22) hohl auszuführen,
- - auf die schwere, voll ausgeführte Schaftwelle (42) zu verzichten und
- - die Beanspruchung der Schweißnaht (14) trotz geringerer Anbindungsdicke nicht wesentlich zu vergrößern.

Damit gelingt es, insgesamt eine Gewichtsersparnis von etwa 500 g zu erreichen, ein Wert, der bisher in einer kostengünstigen metallischen Bauweise nicht realisierbar war.
Ein besonderer Vorteil der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass alle kritischen Außenanschlussmaße, wie

• Länge der Zwischenwelle
• Abmessungen der Keilwelle
• Außen - und Innengeometrie der Tripode
• und Abstand zum Motorgehäuse

Der gleichbleibende Abstand zum Motorgehäuse kann, wenn das erforderlich ist, durch den gleichzeitigen Übergang von einem einreihiges Rillenkugellager auf ein Nadellager gewährleistet werden. Zur zusätzlichen Gewichtsersparnis kann in einer Weiterbildung der Erfindung auf einen Innenring des Nadellagers verzichtet werden, wenn die Außenfläche des Tripodenhohlflansches (1) gleichzeitig als integrierte Innenfläche des Nadellagers dient. Dazu ist es nötig, diese Flächen (13) entweder induktiv Randschicht zu härten oder lokal einsatzzuhärten. Der Einsatz des Gewicht und Bauraum sparenden Nadellagers wird auch deshalb möglich, weil wegen des großen Innendurchmessers die Belastung auf mehr Wälzkörper verteilt wird. Falls für kostensensitive Anwendungen induktiv gehärtet werden soll, wird als Werkstoff des Tripodenhohlkörpers (22) unlegierter Kohlenstoff z.B. Cf53, C63 o.ä. gewählt. Erforderlichenfalls können auch einfach - oder mehrfach niedriglegierte Vergütungsstähle mit Kohlenstoffgehalten zwischen 0,35 %bis zu 0,65 % Kohlenstoff eingesetzt werden. Das konische Verbindungsrohr ist gemäß 3b am tripodenseitigen Ende mit einer angeformten Wanddickenvergrößerung von 2,5 mm auf 3,5 mm versehen.
Das konische Verbindungsrohr (16) ist warmdrückgewalzt. Vor dem Verschweißen von Tripodenhohlkörper (22) und konischem Verbindungsrohr (16) werden die Laufflächen (10) des Verschiebegelenkes (1) und die Sitzfläche (9) des Tripodenhohlkörpers (22) induktiv randschichtgehärtet. Anschließend werden die beiden Schweißnähte (14, 17) erzeugt. Als Schweißverfahren kommt das Laserinduktionsschweißen nach EP 0925140B1 zum Einsatz. Diese Schweißnaht ist zugleich zyklisch ausreichend hoch belastbar.
In dieser erfindungsgemäßen Ausführung lassen sich trotz einer Gewichteinsparung von ca. 500 g

• Höhere Steifigkeiten der Zwischenwelle realisieren,
• gleichzeitig die Frequenz des ersten biegekritischen Obertones der Torsionsschwingung um ca. 20-40 % anheben (siehe 6) sowie
• die maximale Auslenkungsamplitude rmax stark reduzieren.
• Zudem lassen sich in einer Ausführung mit integriertem Zylinderrollenlager die Bauraum-Anforderungen gleich gestalten und nochmals ca. 50 g Gewicht sparen.

Bezugszeichenliste

01 -: Gleichlauf-Verschiebegelenk; Tripode - Verschiebegelenk; Tulpe
02 -: zylindrisches Verbindungsrohr; Rohr; Rohrwelle
03 -: Stummel; inboard-joint, Wellenzapfen
04 -: Induktiv gehärtete Laufflächen für Tripode-stern, Querschnitt
05 -: Rotationsachse; Mittellinie
06 -: Tripodenseitige Schweißnaht Tripode-Rohr; Fügestelle
07 -: Stummelseitige Schweißnaht Rohr-Stummel; Fügestelle
08 -: Hirth-Verzahnung, Keilnuten- Verzahnung
09 -: Sitzfläche für Stützlager, Ringfläche
10 -: Draufsicht induktiv gehärtete Lauffläche für Längsbewegung Tripode-Stern
11 -: Fügestütze; Schweißbadstütze; Zentrierhilfe Tripode
12 -: Fügestütze; Schweißbadstütze; Zentrierhilfe Stummel
13 -: Hohlflansch
14 -: Schweißnaht Tripodenrohr-Rohr
15 -: Konische Schweißnahtstütze; Zentrierhilfe Tripode
16 -: Konisches Verbindungsrohr; konische Hohlwelle
17 -: Schweißnaht konisches Verbindungsrohr-Stummel
18 -: Schweißnahtstütze; Zentrierhilfe Stummel-konisches Verbindungsrohr
19 -: Angeformte Wanddickenvergrößerung; tripodenseitige Schweißnahtvorbereitung
20 -: Abdichtungselement
21 -: Hohler Stummel mit integral angeformtem konischen Verbindungsrohr; integrales Bauteil
22 -: Tripodenhohlkörper
23 -: Hohl ausgeführter Wellenzapfen
24 -: Aufgepresster metallischer Ring, tripodenseitig
25 -: Aufgepresster metallischer Ring, Stummelseite
26 -: Stützlager nach Stand der Technik
27 -: Stützlager mit Aufhängung
28 -: Nadellager
29 -: Geteiltes Nadellager
30 -: Gleichlauf-Drehgelenk
31 -: Geschlossene Glocke (nach Stand der Technik)
32 -: Führungsrillen für Kugeln
33 -: Rotationsachse; Mittellinie; Symmetrielinie Gleichlaufgelenk
34 -: Glockenschaft
35 -: Vollwelle
36 -: Glockenabschnitt mit Innenbund
37 -: Glockenhohlkörper; Hohlflansch
38 -: Konisches Verbindungsrohr
39 -: Schweißnaht Glocke - Rohr
40 -: Fügestütze; Schweißnahtstütze; Zentrierhilfe Glockenhohlkörper 37
41 -: Abdichtungselement Glockenabschnitt 36
42 -: Schaftwelle, Vollwelle
43 -: Tripodenboden
t_w -: lokale Wandstärke des Verbindungsrohres 16, 38
D_r -: lokaler Außendurchmesser des Verbindungsrohres 16, 38
d_r -: lokaler Innendurchmesser des konischen Verbindungsrohres 16,38
n -: Drehzahl
n k_ritT-: kritische Drehzahl Zwischenwelle nach Stand der Technik
n k_ritE -: kritische Drehzahl Zwischenwelle nach Erfindung
r -: Auslenkungsamplitude des Verbindungsrohres 02 bzw. 16 oder 38 bei Rotation
rmax -: maximaler Wert der Auslenkungsamplitude r

Figurenliste

1: Schnitt durch eine PKW-Zwischenwelle nach dem Stand der Technik
2: Schnitt durch eine Ausführung der erfindungsgemäßen PKW-Zwischenwelle
3: Längsschnitt durch das Verbindungsrohr zwischen Tripode-Verschiebegelenk und Stummel
1. a.) Ausführung als zylindrisches Rohr 2 nach dem Stand der Technik
2. b.) Erfindungsgemäße Ausführung als konisches Rohr mit variierender Wandstärke 1b
4: Erfindungsgemäße Ausführung von konischem Verbindungsrohr 1b und Stummel 23 als integrales Bauteil 21
5: Schnitt durch eine PKW-Seitenwelle
1. a.) Ausführung des Gleichlaufgelenkes nach dem Stand der Technik
2. b.) Erfindungsgemäße Ausführung mit Glockenhohlkörper 37 und konischem Verbindungsrohr 38
6: Abhängigkeit der Auslenkungsamplitude r der Torsionsschwingung des Verbindungsrohres in Abhängigkeit von der Drehzahl n; Vergleich des Frequenzverhaltens zwischen der Rohrwelle nach dem Stand der Technik mit der erfindungsgemäßen konischen Hohlwelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 9605108 [0007]
EP 0925140 B1 [0043]

Claims

Leichtbau-Antriebswelle bestehend aus einem Gleichlaufgelenk (1,30), einem Verbindungsrohr (16,38) und einem Stummel (3), dadurch gekennzeichnet, dass • das Verbindungsrohr (16,38) konisch ausgebildet ist und • seine Wandstärke t_w= 0,5(D_r - d_r) mit zunehmendem Durchmesser D_r zur Gleichlaufgelenk-Seite hin abnimmt
Leichtbau-Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichlaufgelenk (1, 30) an seinem rohrseitigen Bereich hohl ausgeführt ist, so dass es einen Hohlflansch (13, 37) bildet.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichlaufgelenk (1) als ein Tripode - Verschiebegelenk (1) ausgebildet ist.
Leichtbau-Antriebswelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke t_w= 0,5(D_r - d_r) des Verbindungsrohres (16, 38) mit zunehmendem Durchmesser D_r dergestalt abnimmt, dass sein polares Flächenträgheitsmoment konstant bleibt.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke umgekehrt proportional zum Durchmesser D_r abnimmt.
Leichtbau- Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlflansch (13, 37) ein den Hohlraum des Verbindungsrohres (16, 38) abschließendes Abdichtungselement (20, 41) aufnimmt.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestellen (14) zwischen Hohlflansch (13) und Verbindungsrohr (16, 38) sowie zwischen Verbindungsrohr (16, 38) und Stummel (3) laserinduktionsgeschweißt sind.
Leichtbau-Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konische Verbindungsrohr (16, 38) und der Stummel (3) als integrales Bauteil (21) ausgeführt sind und das integrale Bauteil (21) aus einem hohl ausgeführten Wellenzapfen (23) und dem konischen Verbindungsrohr (16) besteht.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass das integrale Bauteil (21) ein über einen Innendorn warm drückgewalztes Bauteil darstellt.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das integrale Bauteil (21) ein über einen Innendorn warm rundgeknetetes Bauteil darstellt.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichlaufgelenk (1, 30) samt Hohlflansch (13, 37) aus einem Vergütungsstahl ausreichender Härtbarkeit und Härteannahme besteht.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das integrale Bauteil (21) aus einem Vergütungsstahl ausreichender Umformbarkeit besteht.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das integrale Bauteil (21) aus einer hochfesten oder ultrahochfesten Stahlgußlegierung mit erhöhter Plastizität und ausreichender Dauerschwingfestigkeit besteht.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (9) des Stützlagers (26 bzw. 27) und die Hirth-Verzahnung (8) des Stummels (3) induktiv randschichtgehärtet sind.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hirth-Verzahnung (8) lokal einsatzgehärtet ist.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1, 7, 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das konische Verbindungsrohr (16, 38) als Ausgangsform aus einem laserstrahlgeschweißten Rohr besteht.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1, 8, 9, 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein präzisionsgezogenes Stahlrohr die Ausgangsform für das Warm-Drückwalzen oder Warm-Rundkneten darstellt.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1, 4 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blechronde aus einem Vergütungsstahl die Ausgangsform für das Warm-Drückwalzen oder Warm-Rundkneten darstellt.
Leichtbau-Antriebswelle nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tripodenhohlkörper (22) ein warmgeschmiedetes Bauteil darstellt.
Leichtbau-Antriebswelle nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützlager (27) ein Nadellager (28) enthält.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützlager ein geteiltes Nadellager (29) umfasst, dessen Innenring die induktionsgehärtete Sitzfläche (9) des geteilten Nadellagers (29) bildet.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1, 4, 8, 9, 10 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Verbindungsrohres (16,38) mit einem schwingungsdämpfenden metallischen oder nichtmetallischen Schaumstoff gefüllt ist.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1, 2, 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das konische Verbindungsrohr (16) an seinem tripodenseitigen Ende eine angeformte Wanddickenvergrößerung (19) aufweist.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das konische Verbindungsrohr (16) aus CFK oder GFK besteht.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1, 2 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass die tripodenseitige Fügestütze (15, 40) und die stummelseitige Fügestütze (12) so ausgebildet sind, dass sie einen Formschluss zum konischen Verbindungsrohr (16, 38) aufweisen und sich entlang der Rotationsachse (5, 33) so lang erstrecken, dass das Drehmoment schädigungsfrei durch eine Klebfläche aufgenommen werden kann.
Leichtbau-Antriebswelle nach den Ansprüchen 1, 2 und 25, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssigen Verbindungen durch je einen aufgepressten metallischen Ring (24, 25) verstärkt sind.