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Vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkwelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Hohlwelle zur Verwendung in einer Gelenkwelle gemäß Patentanspruch 10 sowie eine Achse zur Verwendung in einer Gelenkwelle gemäß Patentanspruch 11.
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Gelenkwellen, die aus einer Hohlwelle und einem oder zwei Gelenken bestehen, die an einem oder beiden Enden der Hohlwelle angeordnet sind, werden dazu verwendet, ein Drehmoment von der Hohlwelle auf eine mit der Gelenkwelle verbundenen Achse zu übertragen. Hierzu weist das Gelenk ein Außenringelement und ein Innenringelement auf, das im Inneren des Außenringelements anordenbar ist. Solche Gelenkwellen können als Kardanwellen in Lastkraftwagen oder als Welle zwischen einer Radnabe und einem Differential, beispielsweise in Elektrofahrzeugen, verwendet werden.
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Bei bisher verwendeten Gelenkwellen wird das Außenringelement als separates Element an der Hohlwelle befestigt, beispielsweise durch Verschweißen. Dies erfordert jedoch einen separaten Herstellungsschritt, um das Außenringelement mit der Hohlwelle zu verbinden. Des Weiteren müssen sowohl das Außenringelement als auch die Hohlwelle ausreichend Material bereitstellen, um eine solche Schweißverbindung zu ermöglichen, was das Gewicht der Gelenkwelle erhöht. Zusätzlich wird bei der Übertragung des Drehmoments eine Torsionskraft auf die Verbindung zwischen der Hohlwelle und dem Außenringelement ausgeübt. Diese Torsionskraft wird umso höher, je höher das Drehmoment ist, und kann die Verbindung zwischen der Hohlwelle und dem Außenringelement schädigen. Diese Verbindung stellt somit eine Schwachstelle der Gelenkwelle dar.
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Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Gelenkwelle bereitzustellen, die einfach und mit geringem Gewicht herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gelenkwelle gemäß Patentanspruch 1, eine Hohlwelle gemäß Patentanspruch 10 sowie eine Achse gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
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Die Gelenkwelle weist eine Hohlwelle und ein Gelenk auf, wobei das Gelenk ein Außenringelement und ein Innenringelement aufweist, das im Inneren des Außenringelements anordenbar ist. Das Gelenk ist dabei dazu ausgebildet, ein Drehmoment von der Hohlwelle auf eine mit dem Innenringelement verbundene Achse zu übertragen.
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Um eine einfache Herstellung sowie eine Gewichtsreduzierung der Gelenkwelle zu ermöglichen, ist das Außenringelement einstückig mit der Hohlwelle ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann das Innenringelement einstückig mit der mit ihm verbundenen Achse ausgebildet sein. Durch diese Einstückigkeit ist es möglich, das Gewicht im Vergleich zu bisherigen Gelenkwellen zu reduzieren.
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Des Weiteren kann durch die Einstückigkeit das Herstellungsverfahren vereinfacht werden, da kein zusätzlicher Herstellungsschritt zum Verbinden des Außenringelements und der Hohlwelle oder des Innenringelements und der mit ihm verbundenen Achse nötig ist. Des Weiteren sind keine weiteren Herstellungsschritte, wie z.B. Fertigen eines Flansches zum Verbinden des Außenringelements mit der Hohlwelle oder des Innenringelements mit der Achse, erforderlich. Dies reduziert auch das Gewicht sowie die Herstellungskosten.
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Die hier vorgeschlagene Gelenkwelle kann mit verschiedenen Gelenken implementiert werden. Das Gelenk kann mit einem Gleitlager oder einem Wälzlager ausgestattet sein. Beispielsweise kann die Gelenkwelle als Kardanwelle in einem Lastkraftwagen, z.B. mit einem Tripodegelenk, eingesetzt werden. Ein solches Tripodegelenk ist beispielsweise in der
DE 10 2008 026 063 A1 erläutert. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, eine Hohlwelle mit einem größtmöglichen Durchmesser in der für eine Kardanwelle erforderlichen Länge zu verwenden und an beiden Seiten das Außenringelement anzuflanschen.
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Alternativ kann die Gelenkwelle an einer Radnabe in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden und die Radnabe mit dem Differential verbinden. Wird die Gelenkwelle mit einer Radnabe verbunden, ist es vorteilhaft, die Gelenkwelle derart anzupassen, dass alle Wellendurchmesser, d.h. auch das einstückig mit der Hohlwelle ausgebildete Außenringelement, kleiner sind als der Durchmesser des Außenrings der Radnabenlagereinheit. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Gelenkwelle in dem Kraftfahrzeug durch das Loch des Achsschenkels eingebaut werden kann.
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Weist die Gelenkwelle ein Tripodegelenk auf, kann dieses beispielsweise drei Nadelrollenlager aufweisen. Allgemein kann durch ein Tripodegelenk ein axialer Längenausgleich bewirkt werden.
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Ein Innenring des Tripodegelenks, insbesondere mit drei Nadelrollenlagern, kann an einer Seite mit der Abtriebswelle und an der anderen Seite mit der Ritzelwelle des Differentialgetriebegehäuses verbunden werden.
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Durch die verschiedenen Möglichkeiten der Gelenke kann die hier vorgeschlagene Gelenkwelle aber allgemein in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Gelenkwelle als Steuerungs- und Antriebswelle in allen Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen verwendet werden. Unter anderem kann sie in Hubschraubern oder Flugzeugen zur Rotorsteuerung oder in Rudern, z.B. Seitenrudern, eingesetzt werden. Auch für alle Fahrzeugarten wie Lastkraftwagen oder Elektrofahrzeuge sowie Eisenbahnen oder Schiffe kann die Gelenkwelle verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet das Außenringelement eine Laufbahn eines Außenrings oder das Außenringelement bildet einen Außenringträger, der radial einen die Laufbahn ausbildenden Außenring trägt, wobei das Außenringelement die zylindrische Außenfläche des Außenrings zumindest teilweise aufnimmt. In jedem Fall ist das Außenringelement einstückig mit der Hohlwelle ausgebildet und kann entweder direkt eine Laufbahn des Außenrings bilden oder einen Träger bilden, in den ein Außenring beispielsweise eingesetzt werden kann. Wird die Gelenkwelle von außen betrachtet, ist in jedem Fall nur ein einstückiges Element, d. h. die Hohlwelle mit dem Außenringelement, zu sehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Wandstärke der Hohlwelle im Bereich des Außenringelements verstärkt. Durch diese Verstärkung kann die Funktion des Gelenks gewährleistet und gleichzeitig das Gewicht der Hohlwelle reduziert werden. Diese Verstärkung kann durch Bearbeitung des Materials der Hohlwelle erreicht werden. Beispielsweise kann die Hohlwelle im Bereich des Außenringelements durch Stauchen, Bördeln, Falten oder ähnliche Herstellungsverfahren bearbeitet werden, die das Material der Hohlwelle im Bereich des Außenringelements verdicken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Außenringelement oder das Innenringelement ein Verstärkungselement aufweisen, um diese Verstärkung zu ermöglichen. Das Verstärkungselement kann dazu ausgelegt sein, die Wandstärke der Hohlwelle zu verstärken. Beispielsweise kann das Verstärkungselement als ein Verstärkungsring ausgebildet sein, der in die Hohlwelle eingeschoben oder auf die Hohlwelle aufgeschoben werden kann und dort durch Reibschluss oder Presspassung gehalten wird. Alternativ kann das Verstärkungselement auch direkt beim Herstellen der Hohlwelle in das Material der Hohlwelle eingearbeitet werden, beispielsweise durch Eingießen, Eindrucken oder Einwickeln.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verstärkungselement eine Laufbahn des Außenrings bilden.
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Das Außenringelement oder das Innenringelement können durch Umformen (Kalt- oder Warmumformen), Gießen, Drucken, Wickeln oder Legen gebildet werden. Beispielsweise kann die Hohlwelle an ihren einen oder beiden Enden durch diese Bearbeitungsformen derart umgeformt werden, dass das Außenringelement gebildet wird, wie oben beschrieben ist. Dies gilt ebenfalls für die Achse und die Bildung des Innenringelements. Alternativ können das Außenringelement und/oder das Innenringelement durch Andrucken an die Hohlwelle und/oder die Achse gebildet werden.
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Die Hohlwelle, das Außenringelement und oder das Innenringelement, bzw. die Achse, können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Hierzu zählen beispielsweise Metall, insbesondere hochfester Stahl oder Titan oder Stahllegierungen, Kunststoff, insbesondere faserverstärkter Kunststoff, oder Kohlenstoff, insbesondere faserverstärkter Kohlenstoff. Durch diese Materialien können eine ausreichende Stabilität und Festigkeit der Hohlwelle, und damit des Außenringelements, und/oder der Achse, und damit des Innenringelements, gewährleistet werden, während gleichzeitig das Gewicht reduziert werden kann.
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Im Bereich des Gelenks kann in der Hohlwelle ein Dichtelement vorgesehen sein, um eine Abdichtung des Gelenks in Richtung des Innenraums der Hohlwelle zu ermöglichen. Des Weiteren kann ein solches Dichtelement auch derart angeordnet sein, dass eine Abdichtung des Gelenks zu der Außenumgebung erreicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Durchmesser und die Wandstärke der Hohlwelle und des mit der Hohlwelle einstückig gebildeten Außenringelements hinsichtlich des Gewichts und des zu übertragenden Drehmoments optimiert. Das bedeutet, dass bei der Herstellung der Durchmesser und die Wandstärke derart gewählt werden, dass ein zu übertragenes Drehmoment maximiert und das Gewicht minimiert werden können. Je nach Anwendungszweck wird dabei das zu übertragende Drehmoment bestimmt und entsprechend das Gewicht und damit der Durchmesser und die Wandstärke angepasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Hohlwelle mit einem einstückig damit gebildeten Außenringelement, wie sie oben beschrieben ist, vorgeschlagen. Eine solche Hohlwelle kann in der oben beschriebenen Gelenkwelle eingesetzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Achse mit einem einstückig damit gebildeten Innenringelement, wie sie oben beschrieben ist, vorgeschlagen. Eine solche Achse kann ebenfalls in der oben beschriebenen Gelenkwelle eingesetzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Radnabenmodul vorgeschlagen, wobei das Radnabenmodul eine Radnabenlagereinheit sowie eine Gelenkwelle, wie sie oben beschrieben ist, aufweist. Die Radnabenlagereinheit ist dabei mit der Gelenkwelle verbunden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Kardanwelle eines Lastkraftwagens vorgeschlagen, wobei die Kardanwelle als Gelenkwelle, wie sie oben beschrieben ist, ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Montageverfahren zur Montage einer Gelenkwelle, wie sie oben beschrieben ist, vorgeschlagen. Die Gelenkwelle dient dabei zur Verbindung einer wie oben beschriebenen Hohlwelle und einer wie oben beschriebenen Achse, wobei die Gelenkwelle in dem oben beschriebenen Radnabenmodul oder als Kardanwelle, wie sie oben beschrieben ist, montierbar ist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
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Es zeigt:
- 1: eine Gelenkwelle mit einer Hohlwelle und zwei Gelenken.
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Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine Gelenkwelle 1. Die Gelenkwelle 1 weist eine Hohlwelle 2 und ein Gelenk 4 auf. In der hier gezeigten Ausführungsform ist an beiden Enden der Hohlwelle 2 ein solches Gelenk 4 angeordnet. Alternativ kann auch nur an einem der beiden Enden der Hohlwelle 2 ein Gelenk 4 angeordnet sein.
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Das Gelenk 4 weist ein Außenringelement 6 sowie ein Innenringelement (nicht dargestellt) auf, das im Inneren des Außenringelements 6 anordenbar ist. Das Gelenk 4 ist dazu ausgebildet, ein Drehmoment von der Hohlwelle 2 auf eine mit dem Innenringelement verbundene Achse 8 zu übertragen. Um die Gelenkwelle 1 hinsichtlich des Gewichts zu optimieren, ist das Außenringelement 6 einstückig mit der Hohlwelle 2 ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann das Innenringelement einstückig mit der mit ihm verbundenen Achse 8 ausgebildet sein.
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Das Gelenk 4 kann beispielsweise ein Tripodegelenk oder ein Gleichlaufgelenk sein. Das Außenringelement 6 kann direkt eine Laufbahn eines Außenrings bilden oder einen Außenringträger bilden, der radial einen die Laufbahn ausbildenden Außenring trägt. In jedem Fall ist das Außenringelement 6 und die Hohlwelle 2 von radial außen betrachtet als ein einstückiges Element ausgebildet.
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Um eine ordnungsgemäße Funktion des Gelenks 4 zu gewährleisten, kann die Hohlwelle im Bereich des Außenringelements 6 verstärkt sein. Diese Verstärkung kann durch eine entsprechende Verarbeitung des Materials der Hohlwelle 2 erfolgen. Beispielsweise kann das Material der Hohlwelle 2 im Bereich des Außenringelements 6 gestaucht, gebördelt oder umgeschlagen werden. Alternativ kann die Verstärkung durch ein separates Verstärkungselement erfolgen. Das Verstärkungselement kann als ein Verstärkungsring in die Hohlwelle 2 eingeschoben oder auf die Hohlwelle 2 aufgeschoben werden.
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Der Durchmesser und die Wandstärke der Hohlwelle 2 und des mit der Hohlwelle 2 einstückig gebildeten Außenringelements 6 können in Abhängigkeit des zu übertragenden Drehmoments hinsichtlich des Gewichts optimiert werden. Je nach Anwendungsfall können daher der Durchmesser und die Wandstärke angepasst werden, um das optimale Gewicht für ein bestimmtes, zu übertragendes Drehmoment zu erreichen. Auf diese Weise kann das Gewicht minimiert und das zu übertragende Drehmoment maximiert werden.
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Die hier beschriebene Gelenkwelle 1 kann als Kardanwelle in einem Lastkraftwagen, z.B. mit einem Tripodegelenk, eingesetzt werden. Alternativ kann die Gelenkwelle 1 an einer Radnabe in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden und die Radnabe mit dem Differential verbinden. Wird die Gelenkwelle 1 mit einer Radnabe verbunden, sollte die Gelenkwelle 1 derart angepasst werden, dass alle Wellendurchmesser, d.h. auch das einstückig mit der Hohlwelle 2 ausgebildete Außenringelement 6, kleiner sind als der Durchmesser des Außenrings der Radnabenlagereinheit. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Gelenkwelle 1 in dem Kraftfahrzeug durch das Loch des Achsschenkels eingebaut werden kann.
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Durch die hier vorgeschlagene Gelenkwelle ist es möglich, eine Gelenkwelle für verschiedene Anwendungszwecke bereitzustellen, wobei die Herstellung vereinfacht sowie die Herstellungskosten und das Gewicht der Gelenkwelle reduziert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gelenkwelle
- 2
- Hohlwelle
- 4
- Gelenk
- 6
- Außenringelement
- 8
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008026063 A1 [0009]
