DE102020200364A1

DE102020200364A1 - Dämpfungselement für Welle-/Nabeverbindungen und Bauteileverbund

Info

Publication number: DE102020200364A1
Application number: DE102020200364.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Elter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2021-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) für Welle-/ Nabeverbindungen, wobei das Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) im Bereich einer Außenkontur (14; 23; 26; 28; 33) mit einem ersten Bauteil (1) und im Bereich einer Innenkontur (15; 22; 24; 25; 27; 29) mit einem zweiten Bauteil (2) zur Drehmomentübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil (1, 2) verbindbar ist, und wobei das Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Dämpfungselement für Welle-/Nabeverbindungen, wie es insbesondere als Bestandteil eines Bauteileverbunds zur Drehmomentübertragung, beispielsweise im Rahmen der Elektromobilität, eingesetzt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Bauteileverbund unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Dämpfungselements.
Stand der Technik
Aus der WO 2009/094970 A1 ist ein Dämpfungselement bekannt, das an der Innenseite eines Zahnkranzes angeordnet ist. Der Zahnkranz lässt sich drehfest auf einer Welle montieren. Das Dämpfungselement ist durch Anspritzen an den Zahnkranz aus einem Elastomer gebildet und im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Insbesondere weist es in Richtung zur Welle mehrere Bereiche auf, an denen es an der Welle anliegen kann. Bei der Übertragung von hohen Drehmomenten beziehungsweise Langzeitbeanspruchungen ist ein derartiges, aus einem Elastomer gebildetes Dämpfungselement hinsichtlich seiner Dauerbeständigkeit als kritisch zu bewerten.
Weiterhin ist es aus der DE 10 2012 008 995 A1 bekannt, bei einem Stabilisator zur Verwendung bei Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen den Stabilisator rohrförmig auszubilden und aus mehreren, eine unterschiedliche Orientierung aufweisenden Lagen von Fasern eines faserverstärkten Kunststoffs herzustellen. An gegenüberliegenden axialen Endbereichen des Stabilisators ist dieser durch jeweils eine Pressverbindung mit einem Längsarm unmittelbar verbunden. Die unterschiedlich orientierten Faserausrichtungen im Stabilisator dienen insbesondere der Steigerung von Festigkeit beziehungsweise Steifigkeit.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Dämpfungselement für Welle-/Nabeverbindungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es neben einer besonders hohen Dauerbelastbarkeit beziehungsweise der Möglichkeit der Übertragung relativ hoher Drehmomente vorteilhafte funktionelle Eigenschaften aufweist. Diese funktionellen Eigenschaften bestehen insbesondere in einer verbesserten Geräuschdämpfung beziehungsweise des Vermeidens der Übertragung oder der Anregung von Schwingungen zwischen einem angetriebenen Bauteil und einem antreibenden Bauteil, die durch das Dämpfungselement miteinander gekoppelt bzw. verbunden werden. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Dämpfungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff auszubilden. Die Verwendung faserverstärkter Kunststoffe hat insbesondere den Vorteil, dass durch eine gezielt ausgebildete bzw. gewählte Orientierung der Fasern innerhalb des Dämpfungselements sich unterschiedliche Eigenschaften in unterschiedliche Achsrichtungen des Dämpfungselements erzielen lassen, um so - je nach Erfordernis - vorteilhafte funktionelle Eigenschaften zu erzielen.
Allgemein sind thermoplastische Kunststoffe zu bevorzugen, da diese meist eine größere Dämpfung durch die Duktilität aufweisen, als Duroplaste und eine größere Festigkeit besitzen als Elastomere. Gleichzeitig sollte der Kunststoff den Fasern einen guten Halt geben. Bei den Thermoplasten sind u.a. folgende bevorzugt: thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyamide, Polybutylenterephthalat (PBT), Polyetheretherketon (PEEK), POM (Polyoxymethylen). Bei Durplasten sind Epoxidharze und Poylesterharze bevorzugt, die mit entsprechender Additivierung ebenfalls zähmodifiziert werden können. Bei der Faserverstärkung sind v.a. Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern bevorzugt. Bgzl. Verschleißverhalten sind Kohlenstofffasern und Aramidfasern den Glasfasern vorzuziehen. Der Faservolumenanteil stellt einen Kompromiss aus Festigkeit und Dämpfungseigenschaften dar. Hierbei wird ein Volumenanteil in einem Bereich von größer oder gleich 30 bis kleiner oder gleich 40% Fasern bevorzugt. Bei größerem Anteil der Fasern werden Steifigkeit und Festigkeit verbessert, aber die Werkstoffdämpfung reduziert. Bei einem geringen Faservolumenanteil ist die Entwicklung natürlich genau umgekehrt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Dämpfungselements für Welle-/Nabeverbindungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In ganz besonders bevorzugter konstruktiver Ausgestaltung des Dämpfungselements ist es vorgesehen, dass die Orientierung von Fasern im Dämpfungselement derart ist, dass das Dämpfungselement in zumindest zwei Richtungen unterschiedliche Materialeigenschaften, insbesondere unterschiedliche E-Module, aufweist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Dämpfungselement hülsenförmig ausgebildet ist. Dabei lässt sich durch die Festlegung der Länge der Hülse auch das maximal zu übertragende Drehmoment festlegen bzw. die Länge der Hülse orientiert sich an dem zu übertragenden Drehmoment.
Hinsichtlich der Geometrie beziehungsweise des Querschnitts des Dämpfungselements gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. In einer ersten Variante ist es vorgesehen, dass das Dämpfungselement im Querschnitt eine runde Innen- und/oder Außenkontur aufweist. Derartige Innen- und/oder Außenkonturen eignen sich insbesondere zur Ausbildung von Pressverbindungen im Verbindungsbereich mit den zu verbindenden Bauteilen.
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass das Dämpfungselement im Querschnitt eine n-eckige Außenkontur oder n-eckige Innenkontur aufweist. Eine derartige Kontur kann entweder zur Ausbildung einer Formschlussverbindung mit einem gegengleichen Bauteil an dessen Innenkontur oder Außenkontur dienen, oder aber ebenfalls zur Ausbildung einer Pressverbindung im Zusammenhang mit einer runden Gegenkontur genutzt werden.
In wiederum alternativer Ausgestaltung der Geometrie des Dämpfungselements kann es vorgesehen sein, dass das Dämpfungselement im Querschnitt eine n-eckige Innenkontur und Außenkontur aufweist. Mittels einer derartigen Kontur des Dämpfungselements lassen sich somit an den beiden Bauteilen, die mit dem Dämpfungselement gekoppelt bzw. verbunden sind, Formschlussverbindungen ausbilden.
In nochmals abgewandelter Ausgestaltung der Geometrie des Querschnitts des Dämpfungselements kann es vorgesehen sein, dass das Dämpfungselement im Querschnitt im Bereich einer Innenkontur und/oder einer Außenkontur eine Verzahnungsgeometrie aufweist. Auch derartige Verzahnungsgeometrien dienen insbesondere der Ausbildung von Formschlussverbindungen, können aber gleichzeitig ebenso zur Ausbildung von Pressverbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen verwendet werden.
Weiterhin umfasst die Erfindung einen Bauteileverbund mit einem soweit beschriebenen erfindungsgemäß ausgebildeten Dämpfungselement, wobei das Dämpfungselement radial zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil angeordnet und drehfest mit den beiden Bauteilen verbunden ist.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die beiden Bauteile aus Metall bestehen. Auch kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem Dämpfungselement und dem ersten und/oder zweiten Bauteil eine reibschlüssige, kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung ausgebildet ist, um die drehfeste Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen zu ermöglichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
Figurenliste

1 zeigt eine Welle-/Nabeverbindung mit einem erfindungsgemäßen Dämpfungselement in einem Querschnitt,
2 eine perspektivische Ansicht auf das Dämpfungselement gemäß 1,
3 und 4 jeweils vergrößerte Darstellungen eines Teilbereichs des Dämpfungselements gemäß 2 zur Erläuterung unterschiedlicher Faserorientierungen im Kunststoff des Dämpfungselements und
5 bis 10 jeweils Querschnitte durch unterschiedlich ausgebildete Dämpfungselemente.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein Bauteileverbund 100 in Form einer Welle-/Nabeverbindung dargestellt. Der Bauteileverbund 100 umfasst ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2, die unter Verwendung eines radial zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 angeordneten Dämpfungselements 10 drehfest miteinander verbunden sind. Der Bauteileverbund 100 weist darüber hinaus eine Längsachse 12 auf, um die die beiden Bauteile 1, 2 sowie das Dämpfungselement 10 gemeinsam drehbar sind.
Bei dem ersten Bauteil 1 handelt es sich um einen hülsenartigen Abschnitt einer Antriebswelle 3 und bei dem zweiten Bauteil 2 um eine Abtriebswelle 4. Der Bauteilverbund 100 findet beispielsweise Verwendung im Rahmen der Elektromobilität zum Antreiben von Rädern oder ähnlichem mittels eines Elektromotors.
Das entsprechend der 2 bis 4 aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellte Dämpfungselement 10 ist hülsenartig ausgebildet und weist im Bereich seiner Außenkontur 14 und seiner Innenkontur 15 jeweils Vertiefungen 16, 17 auf, die mit gegengleichen Erhöhungen 18, 19 im Bereich der Antriebswelle 3 beziehungsweise der Abtriebswelle 4 zusammenwirken, um eine Formschlussverbindung 20 auszubilden. Wesentlich ist, dass die in dem Dämpfungselement 10 in dem Kunststoff angeordneten Fasern 11 derart ausgerichtet beziehungsweise angeordnet sind, dass in zumindest zwei (Raum-) Richtungen, die beispielsweise in der Ebene des Querschnitts des Dämpfungselements 10 liegen oder aber in Richtung der Längsachse 12, unterschiedliche Materialeigenschaften erzielbar sind. Diese unterschiedlichen Materialeigenschaften, die sich insbesondere in unterschiedlich hohen E-Modulen ausdrücken, können zur Geräuschdämpfung beziehungsweise zur Verminderung oder Verhinderung von Schwingungen bei der Drehmomentübertragung zwischen den Bauteilen 1 und 2 genutzt werden.
So ist es in der 3 erkennbar, dass links einer Achse A die Fasern 11, die im Kreuzverbund angeordnet sind, in etwa 45° zur Achse A verlaufen. Demgegenüber sind die rechts neben der Achse A angeordneten, ebenfalls in Kreuzverbund angeordneten Fasern 11 in etwa rechtwinklig beziehungsweise parallel zur Achse A bzw. radial zur Längsachse 12 angeordnet. Dabei ist in der Praxis in dem Dämpfungselement 10 entweder eine einzige Anordnung bzw. Orientierung der Fasern 11 entsprechend links oder rechts der Achse A vorgesehen. In der 4 ist demgegenüber dargestellt, dass in dem Bereich links neben der Achse A eine undefinierte Orientierung von Fasern 11 vorliegt, während in dem Bereich rechts neben der Achse A die Fasern 11 radial zur nicht erkennbaren Längsachse 12 ausgerichtet sind. Auch hier ist in der Praxis lediglich eine einzige der beiden beschriebenen Orientierungen bzw. Anordnungen der Fasern 11 vorgesehen.
In der 5 ist dargestellt, dass das Dämpfungselement 10a im Querschnitt eine runde Innenkontur 22 und eine runde Außenkontur 23 aufweist. Weiterhin weist auch das zweite Bauteil 2 eine runde Außenkontur und das erste Bauteil 1 eine runde Innenkontur auf. Die drehfeste Verbindung zwischen dem Dämpfungselement 10a und den beiden Bauteilen 1, 2 erfolgt durch Ausbildung von Pressverbindungen durch entsprechende Dimensionierung der Durchmesser.
Die 6 zeigt lediglich das Dämpfungselement 10b und das im Querschnitt ringförmig ausgebildete erste Bauteil 1. Das Dämpfungselement 10b weist an seiner Innenkontur 24 eine n-eckige Form auf, sodass mit einem nicht dargestellten, einen gegengleichen Kontur aufweisenden zweiten Bauteil 2 eine Formschlussverbindung zwischen dem Dämpfungselement 10b und dem zweiten Bauteil 2 ausbildbar ist.
Das Dämpfungselement 10c gemäß der 7 weist sowohl im Bereich seiner Innenkontur 25 als auch im Bereich seiner Außenkontur 26 jeweils eine n-eckige Form auf. Hier wird zwischen dem ersten Bauteil 1 und der Außenkontur 26 des Dämpfungselements 10c eine Pressverbindung ausgebildet.
Das Dämpfungselement 10d gemäß der 8 unterscheidet sich von dem Dämpfungselement 10c gemäß der 7 dadurch, dass dessen Innenkontur 27 eine runde Form aufweist. Die Verbindung zwischen dem Dämpfungselement 10d und dem nicht gezeigten zweiten Bauteil 2 erfolgt durch eine Pressverbindung.
Das Dämpfungselement 10e gemäß der 9 weist an seiner Außenkontur 28 eine n-eckige Form auf, während an seiner Innenkontur 29 eine Zahngeometrie 30 ausgebildet ist. Hier findet zwischen der Außenkontur 28 des Dämpfungselements 10e und der Innenkontur des ersten Bauteils 1 eine Pressverbindung statt, während zwischen der Innenkontur 29 des Dämpfungselements 10e und dem nicht gezeigten zweiten Bauteils 2 entweder eine Formschlussverbindung oder eine Pressverbindung ausbildbar ist.
Zuletzt ist in der 10 ein Dämpfungselement 10f dargestellt, dass sich von dem Dämpfungselement 10e gemäß der 9 dadurch unterscheidet, dass die Außenkontur 33 des Dämpfungselements 10f rund ausgebildet ist. Dadurch wird zwischen der Außenkontur 33 des Dämpfungselements 10f und der Innenkontur des ersten Bauteils 1 zur Drehmomentübertragung eine Pressverbindung ausgebildet.
Das soweit beschriebene Dämpfungselement 10, 10a bis 10f beziehungsweise die Bauteile 1, 2 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt beziehungsweise modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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

WO 2009/094970 A1 [0002]
DE 102012008995 A1 [0003]

Claims

Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) für Welle- / Nabeverbindungen, wobei das Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) im Bereich einer Außenkontur (14; 23; 26; 28; 33) mit einem ersten Bauteil (1) und im Bereich einer Innenkontur (15; 22; 24; 25; 27; 29) mit einem zweiten Bauteil (2) zur Drehmomentübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil (1, 2) verbindbar ist, und wobei das Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist.
Dämpfungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Fasern (11) im Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) derart ist, dass das Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) in zumindest zwei Richtungen unterschiedliche Materialeigenschaften, insbesondere unterschiedliche E-Module, aufweist.
Dämpfungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) hülsenförmig ausgebildet ist.
Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (10a; 10b; 10d; 10f) im Querschnitt eine runde Innenkontur (22; 27) und/oder Außenkontur (23; 33) aufweist.
Dämpfungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (10b; 10d) im Querschnitt eine n-eckige Außenkontur (26) oder n-eckige Innenkontur (24) aufweist.
Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (10c) im Querschnitt eine n-eckige Innenkontur (25) und eine n-eckige Außenkontur (26) aufweist.
Dämpfungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (10; 10e; 10f) im Querschnitt im Bereich einer Innenkontur (29) und/oder einer Außenkontur (14) eine Verzahnungsgeometrie (30) aufweist.
Bauteileverbund (100), mit einem Dämpfungselement (10; 10a bis 10f), das nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist und radial zwischen einem ersten und zweiten Bauteil (1, 2) angeordnet und drehfest mit den beiden Bauteilen (1, 2) verbunden ist.
Bauteileverbund nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (1, 2) aus Metall bestehen.
Bauteileverbund nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dämpfungselement (10; 10a bis 10f) und dem ersten und/oder zweiten Bauteil (1, 2) eine reibschlüssige, kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung ausgebildet ist.