-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle für ein Antriebssystem, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
-
Auf mechanische Vorrichtungen bzw. deren Komponenten wirken naturgemäß mechanische Kräfte. Werden diese wirkenden Kräfte jedoch zu groß oder wird eine Bewegung einer Komponente durch ein Hindernis oder einen Fehlerfall blockiert, so kann dies zu zum Teil erheblichen Beschädigungen nicht nur einer Komponente, sondern der gesamten mechanischen Vorrichtung führen. Dadurch kann entsprechend großer Reparatur- und Kostenaufwand entstehen. Um dies zu vermeiden oder zu begrenzen, gibt es bereits verschiedene Ansätze, einen Schutz vor einer solchen Überlastung bzw. eine Begrenzung eines resultierenden Schadens zu erreichen.
-
So sind der
EP 2 280 191 B1 eine Vorrichtung mit einem Zahnkranz und einer Antriebseinheit mit Überlastschutz sowie ein Dreh- oder Schwenkwerk oder eine Winde damit offenbart. Die Antriebseinheit der Vorrichtung weist einen Motor, ein Getriebe und eine Antriebswelle sowie ein Gehäuse, in welchem das Getriebe und die Antriebswelle gelagert sind, auf. An einem Abschnitt einer Abtriebswelle außerhalb des Gehäuses ist ein Ritzel zum Antrieb des Zahnkranzes angeordnet. Der Überlastschutz ist derart zwischen dem Getriebe und dem Ritzel angeordnet, dass bei einer Getriebeblockade der Überlastschutz dafür sorgt, dass bei einem Drehmomentfluss vom Zahnkranz auf das Ritzel Zähne des Zahnkranzes vor Zahngewaltbruch geschützt werden. Durch die Anordnung des Überlastschutzes nach allen ausfallbehafteten Elementen des Getriebes können die Getriebebauteile kleiner dimensioniert werden, weil sie nicht mehr zum Totalschaden der Anlage führen können. Der Überlastschutz kann beispielsweise als Sollbruchstelle der Antriebswelle realisiert sein.
-
Als weiteres Beispiel ist in der
DE 10 2010 063 321 A1 eine Hochdruckpumpe beschrieben, durch deren Ausgestaltung beim Auftreten eines Triebwerkschadens der Hochdruckpumpe weitere Folgeschäden vermieden werden sollen. Die Hochdruckpumpe weist dazu eine Antriebswelle und eine Pumpenbaugruppe auf, die über einen Nocken von der Antriebswelle antreibbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass der Nocken auf die Antriebswelle gefügt ist, dass zwischen der Antriebswelle und dem Nocken eine formschlüssige Verbindung ausgestaltet ist und das zur Begrenzung eines zwischen der Antriebswelle und dem Nocken übertragbaren Drehmoments die formschlüssige Verbindung zwischen der Antriebswelle und dem Nocken als Sollbruchstelle ausgestaltet ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Übertragung eines relativ hohen Antriebsmoments bei gleichzeitiger Absicherung des Antriebs gegen einen mechanischen Überlastung Fehlerfall zu ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Welle ist für ein Antriebssystem vorgesehen, also ausgelegt. Ein solches Antriebssystem kann beispielsweise ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen sein. Das Antriebssystem kann beispielsweise einen Motor sowie gegebenenfalls ein Getriebe zum Erzeugen eines durch die Welle übertragbaren Drehmoments umfassen. Ebenso kann das Antriebssystem ein mit einem entgegengesetzten Ende der Welle mechanisch gekoppelte Last oder eine entsprechende Aufnahme oder Lagerung umfassen. Anwendungen oder Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Welle sind nicht auf den Fahrzeugbereich beschränkt, sodass die erfindungsgemäße Welle beispielsweise ebenso in anderen Anlagen oder Maschinen eingesetzt werden kann.
-
Die erfindungsgemäße Welle umfasst einen Wellenschaft mit einer Sollbruchstelle und eine Überbrückung, welche die Sollbruchstelle in axialer Richtung des Wellenschafts überdeckt. Die axiale Richtung des Wellenschafts bzw. der Welle insgesamt entspricht hier einer Längserstreckungsrichtung einer zentralen Drehachse - auch als Längsdrehachse bezeichnet - des Wellenschafts, um den dieser im Betrieb der Welle zur Drehmomentübertragung rotiert bzw. rotieren kann. Die Überbrückung koppelt in dieser axialen Richtung vor und hinter der Sollbruchstelle liegende Teile oder Abschnitte des Wellenschafts mechanisch miteinander. Die Überbrückung weist dabei zwei Überbrückungsteile mit einander in der axialen Richtung zugwandten Kontaktflächen auf. Die Überbrückung ist mit anderen Worten also wenigstens zweiteilig aufgebaut oder ausgebildet. An den dem jeweils anderen Überbrückungsteil zugewandten Kontaktflächen der Überbrückungsteile ist - zumindest zusammengenommen oder in Kombination betrachtet - ein bezüglich einer Drehung um die zentrale Längsdrehachse der Welle bzw. bezüglich einer diese Längsdrehachse enthaltenden Schnittebene asymmetrischer Formschluss ausgebildet. Durch diesen asymmetrischen Formschluss kann die Überbrückung in beiden entgegengesetzten Drehrichtungen des Wellenschafts um die zentrale Längsdrehachse bzw. entsprechenden entgegengesetzten Drehmomentübertragungsrichtungen über den Formschluss unterschiedlich große Drehmomente übertragen.
-
Die Welle bzw. die Überbrückung ist also derart ausgebildet, dass bei einer Drehmomentübertragung über die Welle bei einem durch die Sollbruchstelle oder und die Ausgestaltung des Wellenschafts sowie gegebenenfalls der Überbrückung konstruktiv vorgegebenen maximalen ersten Drehmoment in einer Richtung - hier auch als maximales Schubmoment bezeichnet - an der Sollbruchstelle unterbrochen wird. Dieses maximale ersten Drehmoment ist dabei kleiner als ein in der entgegengesetzten Richtung durch den Wellenschaft und die Überbrückung in Kombination miteinander zerstörungsfrei übertragbares zweites Drehmoment, dass hier auch als maximales Zugmoment bezeichnet wird.
-
Mit anderen Worten weist die erfindungsgemäße Welle im Bereich der Sollbruchstelle eine richtungsabhängige mechanische Belastbarkeit auf, die für unterschiedliche bzw. entgegengesetzte Richtungen eines über die Welle transportierten oder übertragenen Drehmomentflusses unterschiedlich ist. Dazu können beispielsweise als Teil des Formschlusses aneinanderliegende Flanken der beiden Überbrückungsteile ausgebildet sein, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Umfangsrichtung der Welle stehen und bei Drehung der Welle in der zum Übertragen des Zugmoments vorgesehenen Drehrichtung dieses somit ohne aneinander abzugleiten übertragen können. Weiter können als Teil des Formschlusses beispielsweise relativ zu der Umfangsrichtung schrägstehende oder gewölbte Flanken der beiden Überbrückungsteile ausgebildet sein, die bei einem das maximale Schubmoment übersteigenden Drehmoment voneinander abgleiten können, sodass der Formschluss der Überbrückungsteile aufgehoben wird, diese also nicht mehr ineinander greifen. Die Überbrückung nimmt dann keine Last mehr auf, sodass das gesamte Moment von dem Wellenschaft allein übertragen werden müsste bzw. vollständig auf die Sollbruchstelle einwirkt. Unter dieser Belastung kann die Sollbruchstelle dann brechen oder reißen, sodass der Drehmoment- oder Kraftfluss über die Welle unterbrochen wird. Die beiden Teile oder Bruchstücke des Wellenschafts können dann frei gegeneinander drehen, sodass das entsprechende Schubmoment zu keiner Beschädigung von mit dem Wellenschaft mechanisch gekoppelten weiteren Komponenten oder Bauteilen führen kann.
-
Die richtungsabhängige Asymmetrie der Welle bzw. des maximal über die Welle übertragbaren Drehmoments ermöglicht vorteilhaft eine flexiblere und genauere Anpassung der mechanischen Eigenschaften an verschiedene Anwendungsfälle bei gleichzeitiger Absicherung gegen Fehlerfälle oder Überlastungen. Es wird also durch die vorliegende Erfindung die die Problematik bisheriger Wellen oder Antriebssysteme überwunden, in beiden Drehrichtungen bzw. Momentübertragung Richtungen identische mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit oder Steifigkeit, aufzuweisen und daher eine für beide Richtungen gleichermaßen stabile Auslegung sämtlicher mechanisch mit der Welle gekoppelter Komponenten und/oder eine Begrenzung des maximal übertragbaren Zug- oder Antriebsmoments auf letztlich unnötig oder unerwünscht kleine Werte zu erfordern.
-
Wie beschrieben kann die erfindungsgemäße Welle beispielsweise als Teil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Blockiert dieser Antriebsstrang, kann das Kraftfahrzeug gegebenenfalls nicht mehr durch einen jeweiligen Fahrer zuverlässig kontrolliert oder gesteuert werden. Ein solches Blockieren kann beispielsweise durch radseitige mechanische Hindernisse oder Einflüsse oder eine Fehlfunktion in einer Steuersoftware verursacht werden. Ein solcher Fehlerfall sollte abgesichert werden, wozu seitens eines Hauptgetriebes bisher ein signifikanter Aufwand anfallen würde. Beispielsweise wird bei heckgetriebenen Kraftfahrzeugen trotz der geringen Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten eines solchen Fehlerfalls eine Absicherung gemäß ASIL D gefordert. Um einen sicherheitskritischen Zustand zu vermeiden, darf das definierte, also - insbesondere fahrzeugabhängig - vorgegebene maximale Schubmoment nicht überschritten werden. Das Schubmoment ist dabei im fachüblichen Sinne als Drehmoment zu verstehen, das von einer Abtriebsseite über die Welle in Richtung des Antriebs wirkt. Gleichzeitig ist es wünschenswert, ein über diesem maximalen Schubmomentliegendes Zug- oder Antriebsmoment, also ein zum Antrieb des Kraftfahrzeugs in entgegengesetzter Richtung über die Welle transportiertes Drehmoment, zu übertragen, beispielsweise um eine sportliche Fahrweise bzw. entsprechend hohe Antriebsleistungen zu ermöglichen.
-
Dies wird durch das erfindungsgemäße Grundprinzip erreicht, die Welle, beispielsweise als von einem Getriebe ausgehende Abtriebswelle, zum zerstörungsfreien Übertragen des größeren maximalen Zugmoments in der Antriebs- oder Zugrichtung und zum mechanischen Versagen, also zum Unterbrechen des Drehmomentflusses in der entgegengesetzten Schubrichtung ab dem kleineren maximalen Schubmoment auszugestalten. Durch entsprechende Auslegung des Wellenschafts bzw. der Sollbruchstelle kann beispielsweise sichergestellt werden, dass der Wellenschaft spätestens innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, während derer ein größeres Schubmoment als das vorgegebene maximale Schubmoment wirkt, bricht oder reißt. Auf diese Weise kann insgesamt sichergestellt werden, dass im Fehlerfall des Antriebs bzw. des Antriebssystems, insbesondere beim Blockieren, die Welle bricht und das entsprechende Kraftfahrzeug somit kontrollierbar bleibt und/oder es ggf. nicht zu weitere Beschädigungen kommt.
-
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Wellenschaft einstückig ausgebildet und die Sollbruchstelle durch eine lokale Querschnittsverringerung des Wellenschafts gebildet. Es kann zum Formen der Sollbruchstelle also beispielsweise bereichsweise eine Wandstärke oder eine Querschnittsfläche des Wellenschafts im Vergleich zu vor und hinter der Sollbruchstelle liegenden Teilen oder Abschnitten des Wellenschafts reduziert sein, wodurch sich eine Schwächung des Wellenschafts, also eine Verringerung von dessen mechanischer Belastbarkeit, insbesondere gegen Torsionsbelastungen, ergibt. Dazu können beispielsweise eine Kerbe oder Radien in den Wellenschaft bzw. dessen Oberfläche oder Wand eingebracht sein. Um ein möglichst geringes Gewicht der Welle zu erreichen kann der Wellenschaft als Hohlwelle ausgebildet sein, insbesondere im Bereich der Sollbruchstelle. Dadurch kann die Sollbruchstelle mit besonders geringem Aufwand erzeugt bzw. auf besonders einfache Weise das maximale Schubmoment auf besonders geringe Werte eingestellt werden. Ebenso kann der Wellenschaft aber ganz oder teilweise massiv, also als Vollwelle ausgebildet sein. Diese Ausgestaltungsmöglichkeiten des Wellenschafts gelten für sämtliche möglichen Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
-
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist der Wellenschaft zweiteilig ausgebildet und die Sollbruchstelle durch eine Verbindung der beiden Teile des Wellenschafts gebildet. Die Verbindung kann insbesondere eine Löt- oder Schweißverbindung der beiden Teile des Wellenschafts sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Verbindung ebenso durch in axialer Richtung erstreckte Bolzen oder Stifte, also beispielsweise als Steckverbindung der beiden Teile des Wellenschafts, realisiert sein. In jedem Fall kann durch die Verbindung die Sollbruchstelle auch dann auf besonders einfache Weise realisiert bzw. das maximale Schubmoment besonders einfach auf relativ niedrige Werte eingestellt werden, wenn der Wellenschaft bzw. dessen beide Teile massiv und/oder aus einem besonders festen, steifen und/oder harten Material gebildet ist bzw. sind.
-
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Wellenschaft aus mehreren miteinander verbundenen Teilen aus unterschiedlichen Materialien gebildet. Die Sollbruchstelle ist dann durch ein Teil des Wellenschafts aus einem im Vergleich zu in axialer Richtung davor und dahinter angeordneten Teilen des Wellenschafts weniger festen und/oder weniger steifen Material gebildet. Das Material des als Sollbruchstelle fungierenden Teils kann ebenso weicher und/oder weniger reißfest sein und/oder eine andere Zähigkeit aufweisen als das Material oder die Materialien der in den axialen Richtungen anschließenden Teile des Wellenschafts. Die das als Sollbruchstelle fungierende Teil in axialer Richtung einschließenden oder einfassenden Teile des Wellenschafts können aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien gebildet, also gefertigt sein. Dadurch kann sich eine verbesserte Flexibilität für die Ausgestaltung der Welle insgesamt bzw. zum Einstellen oder Vorgeben von deren mechanischen Eigenschaften ergeben. Die einfassenden Teile sowie das als Sollbruchstelle fungierende Teil des Wellenschafts können mittels geeigneter, beispielsweise materialabhängiger, Verbindungsmethoden miteinander verbunden sein, beispielsweise verschweißt, verschraubt oder verlötet sein oder dergleichen mehr. Beispielsweise kann hier als Sollbruchstelle ein Aluminiumstück zwischen zwei Stahlstücken des Wellenschafts angeordnet sein. Aufgrund der geringeren Festigkeit bzw. mechanischen Belastbarkeit von Aluminium im Vergleich zu Stahl wird der Wellenschaft dann bei einer entsprechend großen Belastung im Bereich des Aluminiumstückes zuerst versagen, insbesondere brechen oder reißen. Durch entsprechende Materialwahl bzw. Wahl einer entsprechenden Materialkombination der Teile des Wellenschafts ist eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der Einstellung der mechanischen Eigenschaften des Wellenschafts gegeben. Zudem besteht auf diese Weise Potenzial zur weiteren Verringerung des Gewichts und/oder der Kosten der erfindungsgemäßen Welle.
-
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Überbrückungsteile als den Wellenschaft umgebende Zahnscheiben, also als Kronenräder, ausgebildet, deren einander zugewandte Verzahnungen den Formschluss bilden. Dabei ist wenigstens die Verzahnung einer der beiden Zahnscheiben asymmetrisch ausgebildet. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der Überbrückung kann eine besonders zuverlässige Übertragung des Zugmoments ermöglichen. Rechtzeitig ist durch die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten von Zahnscheiben- oder Kronenradverzahnungen eine besonders große Flexibilität zum Einstellen des maximalen Schubmoments gegeben. Dadurch, dass die Zahnscheiben den Wellenschaft in Umfangsrichtung vollständig umgeben, also beispielsweise auf den Wellenschaft aufgeschoben sind, können Sie besonders einfach und zuverlässig in ihrer vorgesehenen Position gehalten werden.
-
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Verzahnungen der Zahnscheiben durch, insbesondere vollständig, ineinandergreifende Sägezahnrampen gebildet. Die Verzahnungen können mit anderen Worten also ähnlich einer entlang des Umfangs der Zahnscheiben bzw. des Wellenschafts ausgebildeten Sägezahnfunktion gestaltet sein. Damit können zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Flanken der Verzahnungen als tragende Flächen zum Übertragen des Zugmoments dienen, während die schräg dazu verlaufenden Flanken ein Ab- oder Auseinandergleiten der beiden Überbrückungsteile ermöglichen können. Durch Einstellung oder Vorgabe eines Winkels der schrägstehenden Flanken, also der Sägezahnrampen, kann das maximale Schubmoment eingestellt bzw. beeinflusst werden. Steilere, also mehr in axialer Richtung verlaufende Sägezahnrampen können dabei die Übertragung eines größeren Schubmoments ermöglichen, während flacher, also mehr in der in Umfangsrichtung bzw. senkrecht zu der axialen Richtung ausgerichtete Sägezahnrampen das maximale Schubmoment reduzieren können. Dadurch, dass die Verzahnungen beider Zahnscheiben gleichartig, also mit Sägezahnrampen gleicher Länge und Höhe und gleicher Winkel, ausgebildet sind, können die Zahnscheiben besonders dicht aneinander anliegen, sodass beispielsweise ein besonders großes maximales Zug- oder Antriebsmoment übertragen und ein unerwünschtes Eindringen von Schmutz zwischen die Zahnscheiben reduziert werden kann.
-
Ebenso sind andere Ausgestaltungen der Überbrückungsteile bzw. des richtungsabhängigen Formschlusses zwischen den Überbrückungsteile möglich, wie beispielsweise Kugelrampen oder Freilaufklinken mit jeweiliger Achse, Feder und Bolzen oder dergleichen mehr. Die vorgeschlagene Ausgestaltung der Zahnscheiben mit ineinandergreifenden Sägezahnrampen, also Sägezahn-Verzahnung, kann jedoch eine besonders einfach zu fertigende und kostengünstige Lösung darstellen.
-
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eines der Überbrückungsteile in axialer Richtung beweglich gelagert. Das jeweils andere der beiden Überbrückungsteile kann dabei insbesondere fest mit dem Wellenschaft verbunden sein. Durch die axial bewegliche Lagerung des wenigstens einen Überbrückungsteils kann dieses durch ein Schubmoment besonders einfach und gegebenenfalls reversibel von dem anderen Überbrückungsteil getrennt bzw. entkoppelt werden, um die Unterbrechung des Drehmomentflusses zu ermöglichen bzw. zu bewirken. Anschließend, also nach Brechen oder Reißen des Wellenschafts an der Sollbruchstelle und gegebenenfalls Aufhebung der Blockierung bzw. des verantwortlichen Fehlerfalls, kann das axial beweglich gelagerte Überbrückungsteil dann wieder in Richtung des anderen Überbrückungsteils verlagert und mit diesem in Eingriff gebracht werden. Dadurch kann trotz des zerstörten Wellenschafts über die Überbrückung eine Drehmomentübertragung in Zug- oder Antriebsrichtung - wenn auch gegebenenfalls in verringertem Maße - ermöglicht werden. Es ist dann also zumindest zeitweise eine Art Not- oder Behelfsbetrieb möglich. Wird die Welle beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs eingesetzt, kann damit eine eigenständige Bewegung des Kraftfahrzeugs, beispielsweise aus einer Not- oder Gefahrensituation heraus oder bis zur nächstliegenden Reparaturwerkstatt ermöglicht werden.
-
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das axial beweglich gelagerte Überbrückungsteil eine Innenverzahnung auf, die zur Kopplung mit dem Wellenschaft in eine entsprechende Verzahnung des Wellenschafts eingreift. Die entsprechende Verzahnung des Wellenschafts kann dabei als Außenverzahnung des Wellenschafts ausgebildet oder dessen Außenoberfläche eingebracht sein. Um die axiale Beweglichkeit des Überbrückungsteils zu ermöglichen, können Längserstreckungen der Zähne der Innenverzahnung des Überbrückungsteils sowie der korrespondierenden Verzahnung des Wellenschafts zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung des Wellenschafts ausgerichtet sein. Die Innenverzahnung des beweglich gelagerten Überbrückungsteils kann an einer Seiten- oder Innenfläche des Überbrückungsteil angeordnet sein, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der dem anderen Überbrückungsteil zugewandten Kontaktfläche stehen kann. Zum Begrenzen der axialen Bewegung kann ein entsprechend dazu eingerichtetes Begrenzungselement auf einer von der Sollbruchstelle abgewandten Seite des axial beweglich gelagerten Überbrückungsteils angeordnet sein. Durch die Verzahnungen des Überbrückungsteils und des Wellenschafts kann die mechanische Kopplung des Überbrückungsteils mit dem Wellenschaft bei gleichzeitiger axialer Beweglichkeit des Überbrückungsteils auf besonders einfache und wartungsarme Weise realisiert werden.
-
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das axial beweglich gelagerte Überbrückungsteil in axialer Richtung über ein Federelement abgestützt. Dieses Federelement ist dazu eingerichtet, unterhalb des maximalen ersten Drehmoments das axial beweglich gelagerte Überbrückungsteil in axialer Richtung zu dem anderen Überbrückungsteil zu drücken. Ab dem maximalen ersten Drehmoment bzw. oberhalb davon wird das Federelement hingegen in axialer Richtung durch das axial beweglich gelagerte Überbrückungsteil bzw. dessen Bewegung in axialer Richtung komprimiert. Wird also das maximale Schubmoment überschritten, so kann sich das axial beweglich gelagerte Überbrückungsteil durch die asymmetrische Ausgestaltung des Formschlusses in axialer Richtung entgegen der Federkraft des Federelements von dem anderen Überbrückungsteil weg bewegen, sodass die Überbrückung dann nicht mehr zur Drehmomentübertragung beiträgt. Sinkt das Schubmoment anschließend wieder bis unterhalb des maximalen Schubmoments ab, so können die Überbrückungsteile aufgrund der Federkraft des Federelements wieder miteinander in Eingriff gebracht werden. Dadurch kann die Funktion der Welle zum Übertragen von Antriebs- oder Zugmoment zumindest teilweise wiederhergestellt werden. Dadurch kann auf besonders einfache Weise der genannte Not- oder Behelfsbetrieb automatisch ermöglicht werden.
-
Durch Einstellung der durch das wenigstens eine Federelement auf das axial beweglich gelagerte Überbrückungsteil ausgeübten Federkraft kann das maximale Schubmoment eingestellt werden.
-
Das andere Überbrückungsteil kann wie beschrieben fest mit dem Wellenschaft verbunden sein, sodass es als Abstützung für das axial beweglich gelagerte Überbrückungsteil entgegen der Federkraft des wenigstens einen Federelements fungieren kann. Zudem kann durch die feste Befestigung des anderen Überbrückungsteils an dem Wellenschaft eine besonders kostengünstige Fertigung der Welle ermöglicht und ein besonders geringer Wartungsaufwand für die Welle erreicht werden.
-
Das Federelement kann beispielsweise als Zylinderfeder ausgebildet sein, die den Wellenschaft in Umfangsrichtung vollständig umgibt. Ebenso können ein oder mehrere Federelemente an verschiedenen Stellen um den Wellenschaft herum verteilt angeordnet sein, bevorzugt in symmetrischer Verteilung oder Anordnung. In jedem Fall kann das wenigstens eine Federelement auf einer von der Überbrückung abgewandten Seite an einem zumindest in axialer Richtung betrachtet relativ zu der Sollbruchstelle bzw. dem Wellenschaft lagefesten Bauteil abgestützt sein. Beispielsweise kann das Federelement an dem Wellenschaft selbst oder an einem Gehäuse abgestützt sein. Ersteres kann dabei auf besonders einfache Weise, insbesondere ohne zusätzliches Lager oder zusätzliche Schmierung, eine Rotation des Federelements gemeinsam mit dem Wellenschaft und der Überbrückung ermöglichen.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das einen Antriebsstrang aufweist, der seinerseits eine erfindungsgemäße Welle umfasst. Die Welle kann dabei beispielsweise eine Ausgangs- oder Abtriebswelle eines Getriebes des Kraftfahrzeugs sein, die zu einem angetriebenen Rad des Kraftfahrzeugs führt. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Welle genannte Kraftfahrzeug sein. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einige oder alle der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Welle genannten Komponenten, Merkmale und/oder Eigenschaften aufweisen.
-
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische ausschnittweise Teilschnittansicht einer Welle mit einer Sollbruchstelle mit richtungsabhängiger Belastbarkeit.
-
1 zeigt eine ausschnittweise teilgeschnittene Ansicht einer Welle 10. Die Welle 10 umfasst einen Wellenschaft 12, der vorliegend beispielhaft als Hohlwelle ausgebildet ist. In Längsrichtung des Wellenschafts 12 verläuft eine zentrale Längsdrehachse 14, um die der Wellenschaft 12 bzw. die Welle 10 insgesamt im Betrieb rotieren können.
-
Der Wellenschaft 12 weist eine Sollbruchstelle auf, die hier beispielhaft als in eine Wandung des Wellenschafts 12 eingebrachte Kerbe 16 ausgebildet ist. Die Kerbe 16 kann dabei bevorzugt in Umfangsrichtung vollständig um den Wellenschaft 12 herumlaufen.
-
Die Welle 10 umfasst weiter eine Überbrückung 18, welche die Sollbruchstelle, also die Kerbe 16, in axialer Richtung, also entlang der Längsdrehachse 14, überbrückt oder übergreift. Die Überbrückung 18 koppelt dabei in der axialen Richtung vor und hinter der Kerbe 16 befindliche Teile oder Abschnitt des Wellenschafts 12 mechanisch miteinander. Die Überbrückung 18 ist hier aus einem ersten Überbrückungsteil 20 und einem zweiten Überbrückungsteil 22 gebildet. Diese beiden Überbrückungsteile 20, 22 weisen an deren einander zugewandten Seiten bzw. Kontaktflächen eine Verzahnung 24 auf. Diese Verzahnung 24 ermöglicht ein Ineinandergreifen der beiden Überbrückungsteile 20, 22, sodass diese zum Übertragen eines Drehmoments zusammenwirken können. Die Verzahnung 24 ist hier durch Sägezahnrampen mit zumindest im Wesentlichen in Längsrichtung, also parallel zu der Längsdrehachse 14 verlaufenden Flanken zum Übertragen eines Zug- oder Antriebsmoments in einer Richtung und schräg dazu stehenden Flanken zum Entkoppeln der Überbrückungsteile 20, 22 durch ein in der entgegengesetzten Richtung wirkendes Schubmoment gebildet.
-
Das erste Überbrückungsteil 20 ist hier durch eine Befestigung 26 fest mit dem Wellenschaft 12 verbunden. Das erste Überbrückungsteil 20 kann insbesondere drehfest mit dem Wellenschaft 12 verbunden und auch in axialer Richtung lagefest an dem Wellenschaft 12 gehalten sein.
-
Das zweite Überbrückungsteil 22 ist hier hingegen in axialer Richtung relativ zu dem Wellenschaft 12 beweglich gelagert. Das zweite Überbrückungsteil 22 weist dabei eine Innenverzahnung 28 auf. Dazu korrespondierend weist der Wellenschaft 12 im Bereich des zweiten Überbrückungsteils 22 eine Schafftverzahnung 30 auf. Durch Ineinandergreifen der Innenverzahnung 28 des zweiten Überbrückungsteils 22 und der Schafftverzahnung 30 sind das zweite Überbrückungsteil 22 und der Wellenschaft 12 vorliegend zumindest bezogen auf eine Umfangsrichtung oder Drehbewegung des Wellenschafts 12 mechanisch miteinander gekoppelt.
-
Weiter umfasst die Welle 10 vorliegend ein Federelement 34, durch welches das zweite Überbrückungsteil 22 mit einer Federkraft in axialer Richtung belastet und in Richtung des ersten Überbrückungsteil 20 vorgespannt ist. Auf einer von der Überbrückung 18 abgewandten Seite ist das Federelement 34 an einem festen Lager bzw. einer - beispielsweise relativ zu einem dem Federelement 34 nächstliegenden Teil oder Abschnitt des Wellenschafts 12 - feststehenden Komponente der Welle 10 oder einer die Welle 10 umfassenden Vorrichtung abgestützt bzw. gehalten.
-
Die in den Wellenschaft 12 eingebrachte Kerbe 16 sorgt vorliegend dafür, dass der Wellenschaft 12 bei einem in einer ersten Richtung wirkenden definierten vorgegebenen maximalen ersten Drehmoment, nämlich dem maximalen Schubmoment, im Bereich der Kerbe 16 bricht oder reißt. Um in entgegengesetzter Richtung ein größeres maximales zweites Drehmoment, nämlich das maximale Zug- oder Antriebsmoment, übertragen zu können, dient die Überbrückung 18, die hier die Kerbe 16 konzentrisch überdeckt bzw. überbrückt. Die Überbrückung 18 ist hier wie beschrieben aus den beiden Überbrückungsteile 20, 22 aufgebaut, die vorliegend als den Wellenschaft 12 konzentrisch umgebende Zahnscheiben ausgebildet sind. Durch die Verzahnung 24 ist in der Zugrichtung, also zum Übertragen des Zug- oder Antriebsmoments, ein Formschluss der beiden Überbrückungsteile 20, 22 miteinander gegeben. Das Antriebsmoment wird hier im Bereich der Sollbruchstelle also sowohl über den Wellenschaft 12 als auch über die zumindest im Wesentlichen parallel zu der Längsdrehachse 14 in axialer Errichtung verlaufenden Flanken der Verzahnung 24 übertragen. In der entgegengesetzten Schubrichtung werden die beiden Überbrückungsteile 20, 22 hingegen durch die schrägstehenden Sägezahnrampen der Verzahnung 24 in axialer Richtung voneinander abgewiesen, wobei sich das zweite Überbrückungsteil 22 in axialer Richtung bewegt und das Federelement 34 komprimiert.
-
Die Federkraft des Federelements 34 ist dabei so gewählt oder eingestellt, dass das Federelement 34 beim Überschreiten des vorgegebenen maximalen ersten Drehmoments bzw. Schubmoments durch eine aufgrund der asymmetrischen Formgebung der Verzahnung 24 erzeugten Axialkraft und unter Berücksichtigung sonstiger Reibungskräfte im mechanischen System der Welle 10 komprimiert, also zusammengedrückt werden kann. Wird das maximale Schubmoment überschritten, erfolgt also zunächst ein elastisches Verdrehen der beiden durch die Kerbe voneinander geteilten Teile oder Abschnitte des Wellenschafts 12. Dies wird durch die Überbrückung 18 bzw. die beiden Überbrückungsteile 20, 22 nicht verhindert, da sich das axial beweglich zweite Überbrückungsteil 22 gegen das Federelement 34 in axialer Richtung verschieben kann. Da die beiden Teile oder Abschnitte des Wellenschafts 12 somit nicht an einer weiteren Verdrehung oder relativen Torsion gehindert werden, wird eine maximal zulässige Spannung, also eine maximal zulässige Belastbarkeit des Wellenschafts 12 im Bereich der Kerbe 16 überschritten und der Wellenschaft 12 bricht oder reißt dort.
-
Das axial beweglich zweite Überbrückungsteil 22 wird oder ist dabei axial komplett in Richtung des Federelements 34 verschoben, sodass sich die beiden dann voneinander getrennten Teile oder Abschnitte des Wellenabschnitts 12 zumindest im Wesentlichen frei relativ zueinander drehen können. Dadurch wird ein Blockieren der Welle bzw. eines diese umfassenden Antriebssystems verhindert.
-
Nachdem ein solcher Fehlerfall eingetreten und der Wellenschaft 12 gebrochen oder gerissen ist, kann die Welle 10 kein nennenswertes Schubmoment, beispielsweise für einer Rekuperation, übertragen. Durch das Federelement 34 wird das zweite Überbrückungsteil 22 jedoch wieder in Richtung des ersten Überbrückungsteil des 20 gedrückt, sodass die beiden Überbrückungsteile 20, 22 mit ihrer Verzahnung 24 wieder in Eingriff gelangen. Das zweite Überbrückungsteil 22 führt also hier durch einen Pfeil repräsentierte entgegengesetzte Axialbewegungen aus. Damit kann auch bei an der Kerbe 16 gebrochenem Wellenschaft 12 zumindest eingeschränkt noch ein Zug- oder Antriebsmoment durch die Welle 10 übertragen, also beispielsweise ein die Welle 10 umfassendes Kraftfahrzeug noch zumindest eingeschränkt zumindest in Vorwärtsfahrt Richtung betrieben werden.
-
Für eine Anwendung der Welle 10 in einem Antriebssystem oder Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs kann die Welle 10 beispielsweise für ein maximales Zug- oder Antriebsmoment im Bereich von 3500 Nm und ein maximales Schubmoment im Bereich von -1680 Nm sowie gegebenenfalls ein zerstörungsfrei tolerierbares maximales Stoßmoment im Bereich von 7000 Nm bei einem entsprechenden kurzzeitigen Sonderereignis ausgelegt sein.
-
Die Welle 10 ist jedoch nicht auf einen derartigen Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder die beispielhaft genannten Auslegungswerte beschränkt, sondern kann ebenso in vielfältigen anderen technischen Bereichen, Anwendungen und/oder Dimensionierungen eingesetzt werden.
-
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine Antriebs- oder Abtriebswelle mit richtungsabhängiger Sollbruchstelle bzw. richtungsabhängiger Belastbarkeit realisiert werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Welle
- 12
- Wellenschaft
- 14
- Längsdrehachse
- 16
- Kerbe
- 18
- Überbrückung
- 20
- erstes Überbrückungsteil
- 22
- zweites Überbrückungsteil
- 24
- Verzahnung
- 26
- Befestigung
- 28
- Innenverzahnung
- 30
- Schaftzahnung
- 32
- Axialbewegung
- 34
- Federelement
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2280191 B1 [0003]
- DE 102010063321 A1 [0004]
