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Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere zur Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, sowie eine Verwendung eines derartigen Verbindungselements, mit dessen Hilfe eine Welle-Nabe-Verbindung zur Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs ausgebildet werden kann.
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Aus der
DE 10 2014 208 273 A1 ist ein Verbindungselement für eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere zur Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen, mit einem eine erste Verzahnung aufweisenden ersten Verzahnungselement zur Ausbildung einer Steckverzahnung mit einem Gegenverzahnungselement, einem eine zweite Verzahnung aufweisenden zweiten Verzahnungselement zurAusbildung einer Steckverzahnung mit demselben Gegenverzahnungselement, wobei das zweite Verzahnungselement gegenüber dem ersten Verzahnungselement in Umfangsrichtung um einen Winkel α elastisch verdrehbar ist und beim Verdrehen ein Rückstellmoment erzeugt, sodass bei einer fluchtenden Ausrichtung der ersten Verzahnung zur zweiten Verzahnung ein Rückstellmoment in Umfangsrichtung auf das erste Verzahnungselement und/oder auf das zweite Verzahnungselement ausgeübt wird. Dieser Gegenstand bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Durch den dort vorgesehenen Elastomerkörper kann das erste Verzahnungselement mit dem zweiten Verzahnungselement, beispielsweise durch eine Elastomerschicht, in Umfangsrichtung derart versetzt verbunden werden, dass die erste Verzahnung und die zweite Verzahnung nicht miteinander fluchten. In Axialrichtung betrachtet wird ein Zahn der ersten Verzahnung nicht vollständig von einem Zahn der zweiten Verzahnung abgedeckt, wobei stattdessen ein Teil des jeweils anderen Zahns in Umfangsrichtung aus dem abgedeckten Bereich übersteht. Wenn das Verbindungselement mit dem Gegenverzahnungselement zur Ausbildung einer eine Steckverzahnung aufweisenden Well-Nabe-Verbindung verbunden wird, kann das erste Verzahnungselement und das zweite Verzahnungselement in eine stärker fluchtende Winkellage relativ zueinander verdreht werden, in welcher in Axialrichtung betrachtet ein Überdeckungsgrad der Zähne der ersten Verzahnung und der zweiten Verzahnung größer ist und ein geringerer Anteil des jeweils anderen Zahns in Umfangsrichtung übersteht. Wenn eine Gegenverzahnung des Gegenverzahnungselement sowohl mit der ersten Verzahnung des ersten Verzahnungselements als auch mit der zweiten Verzahnung des zweiten Verzahnungselements kämmt, ist das erste Verzahnungselement im Vergleich zur Ausgangslage zum zweiten Verzahnungselement in Umfangsrichtung verdreht, so dass der die Verzahnungselemente verbindende Elastomerkörper elastisch verformt ist und ein Rückstellmoment auf die Verzahnungselemente ausübt. Aufgrund dieses Rückstellmoments liegt das erste Verzahnungselement mit einer in eine erste Umfangsrichtung weisenden Zahnflanke an der Gegenverzahnung des Gegenverzahnungselements an, während gleichzeitig das zweite Verzahnungselement mit einer in einer entgegen der ersten Umfangsrichtung gerichteten zweiten Umfangsrichtung weisenden Zahnflanke an der Gegenverzahnung des Gegenverzahnungselement anliegt. Ein toleranzbedingtes Zahnspiel in Umfangsrichtung des Verbindungselements mit dem Gegenverzahnungselement kann dadurch eliminiert werden, so dass sich eine im Wesentlichen spielfreie Welle-Nabe-Verbindung ergeben kann. Dadurch können insbesondere Klappergeräusche auch bei Lastwechseln vermieden werden. Zudem kann der Elastomerkörper als Dämpfer wirken, mit dessen Hilfe Drehschwingungen gedämpft werden können. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass zum Ausgleich eines toleranzbedingten Zahnspiels in Umfangsrichtung ein lediglich geringer Versatz des ersten Verzahnungselements zum zweiten Verzahnungselement in eine nicht fluchtende Stellung der jeweiligen Verzahnungen ausreichend ist, so dass ein entsprechend dünn und bauraumsparender Elastomerkörper hierfür ausreichend ist und Spiralfedern oder andere metallische Federelemente mit einem entsprechend größeren Bauraumbedarf und entsprechend konstruktiv aufwändigen Befestigungskonstruktionen vermieden werden können. Es bleibt jedoch die Tatsache, dass axial drei Komponenten nebeneinander liegen (das erste und das zweite Verzahnungselements und der Elastomerkörper). Daher braucht auch dieser Gegenstand manchmal mehr Bauraum in Axialrichtung, als vorhanden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein solches Verbindungselement für eine Welle-Nabe-Verbindung dahingehend zu verbessern, das es kleiner, bevorzugt schmäler baut.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß wird also ein Verbindungselement für eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere zur Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, vorgeschlagen, mit einem eine erste Verzahnung aufweisenden ersten Verzahnungselement zur Ausbildung einer Steckverzahnung mit einem Gegenverzahnungselement, einem eine zweite Verzahnung aufweisenden zweiten Verzahnungselement zurAusbildung einer Steckverzahnung mit demselben Gegenverzahnungselement, wobei das zweite Verzahnungselement gegenüber dem ersten Verzahnungselement in Umfangsrichtung um einen Winkel α elastisch verdrehbar ist (ebenso stimmt natürlich, dass das erste Verzahnungselement gegenüber dem zweiten Verzahnungselement in Umfangsrichtung um einen Winkel α elastisch verdrehbar ist) und beim Verdrehen ein Rückstellmoment erzeugt, sodass bei einer fluchtenden Ausrichtung der ersten Verzahnung zur zweiten Verzahnung ein Rückstellmoment in Umfangsrichtung auf das erste Verzahnungselement und/oder auf das zweite Verzahnungselement ausgeübt wird, wobei das zweite Verzahnungselement einen Elastomerkörper enthält oder ein Elastomerkörper ist. Gegenüber dem Stand der Technik wird also auf ein drittes Bauteil verzichtet, indem die Verzahnungs- und die Elastizitätsanforderung von einem einzigen Bauteil, nämlich dem zweiten Verzahnungselement, erfüllt werden. Dadurch baut das Verbindungselement axial schmäler.
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Ein Merkmal der Erfindung ist also, dass das zweite Verzahnungselement zugleich die Funktion des Elastomerkörpers übernimmt. Dies kann dadurch realisiert sein, dass das zweite Verzahnungselement einen Zahnring aufweist, der als Elastomerkörper ausgebildet ist. So kann das zweite Verzahnungselement radial innen aus Metall oder aus einem beliebigen, auch festen, Kunststoff gefertigt sein und außen, im Bereich seiner Zähne elastisch. Möglich ist auch, dass das zweite Verzahnungselement einen metallenen Zahnring aufweist, der einen Elastomerkörper als Innenkörper umschließt. Die Elastizität wird dann von einer Art Innenring oder Nabe aufgebracht. Ebenso ist es möglich, dass das zweite Verzahnungselement insgesamt aus einem Elastomerkörper hergestellt ist, es also ausschließlich aus Elastomer besteht oder der Elastomerkörper selber ist. Es kann nabenlos, also ringförmig, aufgebaut sein. Sofern es auch einen Nabe und einen Innenteil hat, können auch die aus Elastomer bestehen.
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Bevorzugt können die Gegenverzahnung des Gegenverzahnungselements und/oder die erste Verzahnung und/oder die zweite Verzahnung die Verzahnung des Elastomerkörpers eine Einfädelphase aufweisen. So ist eine in der Umfangsrichtung wirkende Einführungsschräge erzeugt, so dass bei der Montage das erste Verzahnungselement automatisch zum zweiten Verzahnungselement entgegen eines sich aufbauenden Rückstellmoments des Elastomerkörpers verdreht werden kann.
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Vorzugsweise ist der Elastomerkörper aus einem elastomeren Kunststoffmaterial gefertigt. Die Materialeigenschaften des Elastomerkörpers können dadurch konstant und vorhersehbar sein. Insbesondere können metallische Bestandteile, die beispielsweise mit dem Elastomer umspritzt werden müssten und/oder verkeilen könnten, vermieden werden. Geeignete Materialien für den Elastomerkörper sind beispielsweise Naturkautschuk, Silikonkautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), oder Ethylenvinylacetat (EVA).
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In einer Ausführungsform ist das zweite Verzahnungselement direkt am ersten Verzahnungselement permanent befestigt, zum Beispiel durch Verkleben. Bevorzugt ist es aufvulkanisiert. Ebenso im Rahmen der Erfindung liegt, dass das zweite Verzahnungselement an einem ein Blech permanent befestigt ist - wieder geklebt oder bevorzugt aufvulkanisiert -, über welches es dann in einem zweiten Schritt am ersten Verzahnungselement befestigt ist, bevorzugt lösbar, besonders bevorzugt durch Nieten. So kann der erwünschte Versatz (Verdrehwinkel α) in Umfangrichtung leicht und exakt hergestellt werden, die Bohrlöcher für die Nieten müssen nur um diesen Winkel entsprechend versetzt angeordnet sein. Der Kunststoff/Elastomerkörper kann also mit einer Blechbuchse form- kraft- oder stoffschlüssig verbunden sein. Die Blechbuchse dient dazu, eine Verbindung mit der Abtriebsnabe herzustellen. Die Verwendung einer Blechbuchse hat den Vorteil, dass nicht die gesamte Abtriebsnabe zum Aufvulkanisieren gegeben werden muss, sondern nur ein relativ kleines, leichtes Blechteil. Die Blechbuchse kann in der ersten Variante mit der Nabe vernietet sein. In einer zweiten Variante kann sie mit der Nabe durch Warzen vernietet sein. In einer dritten Variante kann die Blechbuchse mit einem Paket in der Vor- und oder Hauptvernietung festgelegt sein. In diesem Fall kann das Blechteil mit der Nabe vorgehalten werden.
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Der Bereich der Abtriebsnabe, der die Blechbuchse aufnimmt, kann normal - unbehandelt - sein. In einer Ausführung der Erfindung kann er jedoch auch bei Bedarf oder entsprechenden Toleranzen spanend bearbeitet sein, um einen besseren Kraftschluss zu erreichen.
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Bevorzugt kann das als Elastomerkörper wirkende zweite Verzahnungselement durch Vulkanisieren mit dem ersten Verzahnungselement verbunden. Dadurch lässt sich schnell und einfach eine feste Verbindung des ersten Verzahnungselements mit dem zweiten Verzahnungselement erreichen, wobei zusätzliche mechanischen Befestigungsmittel und/oder für einen Formschluss speziell ausgestaltete Bereiche vermieden werden können. Insbesondere kann das zweite Verzahnungselement (ohne oder mit einem Blech) in einem vergleichsweise harten Zustand angeliefert und montiert werden, wobei das zweite Verzahnungselement seine beabsichtigte Elastizität erst während des Vulkanisierens erhält, insbesondere wenn während des Vulkanisierens unter Wärmezufuhr Polymere des zweiten Verzahnungselements sich miteinander vernetzen. Vorzugsweise kann beim Vulkanisieren ein Katalysator zugegeben werden, mit dessen Hilfe die beabsichtigte Elastizität sehr genau eingestellt werden kann.
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In einer Ausführungsform ist die erste Verzahnung im Vergleich zu einer fluchtenden Anordnung zu der zweiten Verzahnung um einen Winkel α in Umfangsrichtung verdreht, wobei 0,10°≤ α ≤ 5,0°, vorzugsweise 0,25° ≤ α ≤ 2,5°, weiter bevorzugt 0,50° ≤ α ≤ 1,5° und besonders bevorzugt α = 1,0° ± 0,25° gilt.
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Das Verzahnungselement kann eine Welle der Welle-Nabe-Verbindung und/oder eine Nabe der Welle-Nabe-Verbindung ausbilden. Das erste Verzahnungselement kann im Wesentlichen koaxial zum zweiten Verzahnungselement angeordnet sein. Ein schwerkraftbedingter und/oder toleranzbedingter Achsversatz des ersten Verzahnungselements zum zweiten Verzahnungselement kann bei der Montage mit dem Gegenverzahnungselement automatisch ausgeglichen werden, so dass es nicht erforderlich ist, das erste Verzahnungselement mit dem zweiten Verzahnungselement über zusätzliche Zentriermittel zu zentrieren.
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Die Erfindung kann also als Welle-Nabe-Verbindung zur Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, mit einer Welle und einer über eine Steckverzahnung mit der Welle verbundenen Nabe, wobei die Welle und/oder die Nabe als Verbindungselement ausgestaltet ist, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Durch die versetzte Anbindung der Verzahnungselemente kann ein toleranzbedingtes Zahnspiel in Umfangsrichtung automatisch ausgeglichen werden, wodurch eine konstruktiv einfach und bauraumsparend ausgestaltete geräuscharme Welle-Nabe-Verbindung für den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
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Die von Motorstreuungen oder Verzahnungsspiel zwischen Abtriebsnabe und Getriebeeingangswelle erzeugten Klappergeräusche bei Lastwechseln, die gerade bei Drehzahlen nahe der Leerlaufdrehzahl hörbar sind, werden so vermieden, verringert oder zumindest in einen weniger kritischen Bereich verschoben.
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Erfindungsgemäß weist also der Bereich der Abtriebsnabe, der Kontakt mit der Verzahnung der Getriebeeingangswelle hat, zwei Verzahnungen auf. Beim Fügen der beiden Verzahnungskörper in die aufnehmende Gegenverzahnung - also beim Einführen der Abtriebsnabe in die Getriebeeingangswelle - werden die beiden Verzahnungskörper elastisch gegeneinander verdreht und erzeugen über die Steifigkeit des Kunststoffes oder des Elastomers eine Verspannung der Abtriebsnabe gegenüber der Getriebeeingangswelle.
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Insbesondere übt das als Elastomerkörper wirkende zweite Verzahnungselement ein Rückstellmoment MR in Umfangsrichtung auf die Welle und/oder die Nabe aus, welches höher dem oder als das Verzahnungs-Abhebemoment liegt. Dadurch kann der Elastomerkörper auch bei einer Schwankung des zu übertragenen Drehmoments und/oder bei plötzlichen Laststößen („Impacts“) ein Klappern vermeiden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer Welle-Nabe-Verbindung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur Verbindung rotierender Teile, insbesondere zur Verbindung einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeugmotors mit einem Drehschwingungsdämpfer und/oder mit einer Kupplung, zur Verbindung eines Drehschwingungsdämpfers mit einer Kupplung und/oder zur Verbindung einer Kupplungsscheibe einer Kupplung mit einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes. Durch die versetzte Anbindung der Verzahnungselemente kann ein toleranzbedingtes Zahnspiel in Umfangsrichtung automatisch ausgeglichen werden, wodurch eine konstruktiv einfach und bauraumsparend ausgestaltete geräuscharme Welle-Nabe-Verbindung für den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung eines Verbindungselements, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur Drehmomentübertragung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Durch die versetzte Anbindung der Verzahnungselemente kann ein toleranzbedingtes Zahnspiel in Umfangsrichtung automatisch ausgeglichen werden, wodurch eine konstruktiv einfach und bauraumsparend ausgestaltete geräuscharme Welle-Nabe-Verbindung für den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs ermöglicht ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: einen Drehschwingungsdämpfer mit erfindungsgemäßem Verbindungselement,
- 2: eine zweite Ausführung eines Drehschwingungsdämpfers mit erfindungsgemäßem Verbindungselement,
- 3: eine dritte Ausführung eines Drehschwingungsdämpfers mit erfindungsgemäßem Verbindungselement und
- 4 und 5: ein erfindungsgemäßes Verbindungselement.
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1 zeigt einen Drehschwingungsdämpfer eines Kraftfahrzeugs mit erfindungsgemäßem Verbindungselement 10 links schematisch und rechts ein vergrößertes Detail. Der Drehschwingungsdämpfer enthält einen Zahnkranz 28, eine Primärschwungscheibe 30, ein Fliehkraftpendel 32, einen Axialring 34, eine Deckscheibe 36, eine Gleitschale 38, eine Bogenfeder 40, einen Deckel 42, einen Membranring 44, eine Tellerfedermembran 46, eine Hauptniete 48 und einen als Nabe dienenden Befestigungsflansch 22, der das erfindungsgemäße Verbindungselement 10 enthält. Das hier als Nabe der Welle-Nabe-Verbindung ausgestaltete Verbindungselement 10 weist ein erstes Verzahnungselement 12 auf, das eine als Innenverzahnung ausgestaltete erste Verzahnung 14 aufweist. Das erste Verzahnungselement 12 ist über ein Blech 24 durch Aufnieten mit einem zweiten Verzahnungselement 18 verbunden, das eine als Innenverzahnung ausgestaltete zweite Verzahnung 20 aufweist. Das zweite Verzahnungselement 18 enthält hier den als Zahnring dienenden Elastomerkörper 16. Die beiden Verzahnungen 14 und 20 sind um einen kleinen Winkel in Umfangrichtung gegeneinander verdreht, so dass sie, wenn sie in ein gemeinsame Gegenverzahnung der nicht gezeigten Welle (zum Beispiel einer Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeugs) eingreifen, über den Elastomerkörper 16 eine Rückstellkraft auf beide Verzahnungselemente 12 und 18 ausüben und so ein Vorspannmoment erzeugen, welches ein „Klappern“ der Steckverbindung vermeidet. Das zweite Verzahnungselement 18, hier also der Elastomerkörper 16, ist hier kein metallisches Bauteil wie beim Stand der Technik, sondern besteht vollständig aus Elastomer, dem im Zahnkranz, also zur Gegenverzahnung hin, die zweite Verzahnung 20 eingearbeitet ist. Die Blechbuchse 24 ist mit dem als Nabe dienenden Befestigungsflansch 22 vernietet. Als Schräge ist im Elastomerkörper 16 die Fase 26 zu erkennen, die als eine Art Anschrägung beim Einführen oder Einfädeln des Verbindungselements 10 in die Gegenverzahnung hilft, den geringen Umfangversatz der zwei Verzahnungen 14 und 20 auszugleichen.
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2 zeigt eine zweite Ausführung eines Drehschwingungsdämpfers mit erfindungsgemäßem Verbindungselement 10. Gleiche Teile haben gleiche Bezugszeichen wie in 1. Unterschiedlich zu 1 ist, dass die Blechbuchse 24 mit dem Befestigungsflansch 22 durch Warzen vernietet ist.
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3 zeigt eine dritte Ausführung eines Drehschwingungsdämpfers mit erfindungsgemäßem Verbindungselement 10. Gleiche Teile haben gleiche Bezugszeichen wie in 1. Unterschiedlich zu 1 ist, dass das Blech 24 hier deutlich größer ausgebildet ist als in den beiden vorherigen Ausführungen. Es reicht radial vom Elastomerkörper 16 innen an der Nabe bis deutlich weiter außen bis über die Hauptniete 48 hinaus, welche neben dem Blech (24) auch die Tellerfedermembran 46 in der gewünschten Stellung hält.
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4 zeigt ein erfindungsgemäßes Verbindungselement 10 in Draufsicht und detailvergrößert mit dem ersten Verzahnungselement 12 und dem zweiten Verzahnungselement 18 (Elastomerkörper 16), der vom Blech 24 getragen wird. Zu erkennen sind an den Zähnen des zweiten Verzahnungselements 18 die Fasen 26, die das Einführen der versetzten Verzahnungen 14 und 20 erlauben.
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5 zeigt das Verbindungselement 10 der 4 im Schnitt und detailvergrößert. Zu erkennen ist, dass die erste Verzahnung 14 des ersten Verzahnungselements 12 im entspannten Zustand des zweiten Verzahnungselements 18 mit der zweiten Verzahnung 20 in Umfangrichtung leicht verdreht ist. Die Verzahnungen 14 und 20 sind im Vergleich zu einer vollständig fluchtenden Relativwinkellage um einen kleinen Winkel in Umfangsrichtung verdreht positioniert und üben so kein Rückstellmoment aus. Der Abstand der Zähne der ersten Verzahnung 14 zur zweiten Verzahnung 20 kann dadurch etwas geringer sein als der Zahnabstand einer Gegenverzahnung eines Gegenverzahnungselements, so dass im montierten Zustand das Gegenverzahnungselement spielfrei mit einem anliegenden Rückstellmoment des zweiten Verzahnungselements 18 mit dem Verbindungselement 10 verbunden ist und dabei sowohl an der ersten Verzahnung 14 als auch an der zweiten Verzahnung 20 anliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbindungselement
- 12
- erstes Verzahnungselement
- 14
- erste Verzahnung
- 16
- Elastomerkörper
- 18
- zweites Verzahnungselement
- 20
- zweite Verzahnung
- 22
- Befestigungsflansch
- 24
- Blech
- 26
- Fase
- 28
- Zahnkranz
- 30
- Primärschwungscheibe
- 32
- Fliehkraftpendel
- 34
- Axialring
- 36
- Deckscheibe
- 38
- Gleitschale
- 40
- Bogenfeder
- 42
- Deckel
- 44
- Membranring
- 46
- Tellerfedermembran
- 48
- Hauptniete
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014208273 A1 [0002]
- DE 102014226430 A1 [0003]
