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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebswelle für ein Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebswelle sowie ein Verfahren zum Bereitstellen einer Antriebswelle.
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Gelenkwellen werden typischerweise mittels eines geraden Rohrs und ggf. einem Durchmessersprung beispielsweise zur Erfüllung von Crash-Anforderungen ausgeführt. Im Rahmen von Analysen bzgl. Antriebsstrangschwingungen und Antriebsstrangakustik kann festgestellt werden, dass sich Schwingungen aus einem Hinterachsgetriebe in der Gelenkwelle fortsetzen können. Die Gelenkwelle und deren Schwingverhalten, insbesondere hinsichtlich Eigenfrequenzen, kann maßgeblich ein Auftreten von Störgeräuschen, wie ein Hinterachsgetriebe-Heulen im Innenraum einer Fahrgastzelle, bestimmen.
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Aus der
DE 10 2007 031 186 B4 ist eine Antriebswelle mit teilweise ineinander gesteckten Wellenteilen bekannt. Die Wellenteile sind durch auf ihrem Außenumfang angeordnete Sicherungsmittel gegen axialen Auszug bei Montage oder Transport gesichert miteinander verbunden. Als Sicherungsmittel dient ein beide Wellenteile umfassender Faltenbalg, dessen Ränder mit den Wellenteilen auszugsbegrenzend und dichtend zusammenwirken. Der Faltenbalg ist in begrenztem Maß relativ zu dem von ihm umfassten Wellenteil axial gleitend verschiebbar, wobei ferner innerhalb des Faltenbalgs ein Anschlag für den relativ zum umfassenden Wellenteil verschiebbaren ringförmigen Rand des Faltenbalgs als Auszugsbegrenzung vorgesehen ist. Der Anschlag zum relativ zum Wellenteil verschiebbaren Rand kann fest ausgestaltet sein, wenn dieser durch einen Absatz des Wellenteils gebildet wird, der durch einen Durchmessersprung entsteht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, welche eine Verringerung von Störgeräuschen, insbesondere Getriebeheulen, verursacht durch ein Hinterachsgetriebe, ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
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Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle für ein Kraftfahrzeug, welche für ein Einstellen einer Eigenfrequenz der Antriebswelle einen Durchmessersprung an wenigstens einer Position entlang ihrer Länge aufweist, welche einem Schwingungsbauch einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zugeordnet ist. Das bedeutet, dass die Antriebswelle an dem Schwingungsbauch der vorgegebenen Schwingungsfrequenz den Durchmessersprung aufweist, wodurch eine lokale Steifigkeitsänderung der Antriebswelle auftritt. In Folge dieser lokalen Steifigkeitsänderung der Antriebswelle ist eine Eigenfrequenz der Antriebswelle angepasst, wodurch wiederum eine Schallübertragung in dem Kraftfahrzeug ausgehend von der Antriebswelle eingestellt werden kann. Hierdurch kann insbesondere ein sogenanntes Heulen eines Hinterachsgetriebes vermindert werden. Durch die Steifigkeitsänderung der Antriebswelle mittels des Durchmessersprungs an dem Schwingungsbauch kann somit die vorgegebene Schwingungsfrequenz gezielt verschoben werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Antriebswelle an wenigstens einer Position einen größeren Durchmesser aufweist als in einem entlang der Länge der Antriebswelle an die Position anschließenden Bereich. Mit anderen Worten wird der Durchmessersprung durch eine lokale Vergrößerung des Durchmessers an der wenigstens einen Position bereitgestellt. Durch die lokale Erhöhung des Durchmessers und somit das Bereitstellen des Durchmessersprungs an der wenigstens einen Position kann die Antriebswelle besonders einfach lokal an dem jeweiligen Schwingungsbauch der vorgegebenen Schwingungsfrequenz in ihrer Steifigkeit eingestellt werden, wodurch eine Schwingungsamplitude der Antriebswelle für die vorgegebene Schwingungsfrequenz besonders geringgehalten werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Durchmessersprung durch eine Ausstülpung bereitgestellt ist. Die Antriebswelle ist somit an der wenigstens einen Position nach außen ausgestülpt, wodurch die Steifigkeitsänderung der Antriebswelle an der Position erzielt werden kann. Durch die Ausstülpung kann der Durchmessersprung besonders einfach bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Antriebswelle eine Gelenkwelle ist, welche unterschiedliche Teilwellen umfasst. Diese Teilwellen können insbesondere über ein Kardangelenk gelenkig miteinander verbunden sein. Die Ausgestaltung der Antriebswelle als Gelenkwelle ermöglicht eine Übertragung von Drehmomenten bei nicht-fluchtenden Drehachsen sowie eine Übertragung von Drehmomenten bei sich gegeneinander bewegenden Teilen. Insbesondere ermöglicht das Ausbilden der Antriebswelle als Gelenkwelle einen großen Winkelversatz und/oder eine Übertragung von großen Leistungen.
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Es ist in diesem Zusammenhang insbesondere vorgesehen, dass zumindest die Teilwelle, die dazu eingerichtet ist, mit einem Hinterachsgetriebe des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden, den Durchmessersprung an der wenigstens einen Position aufweist. Eine weitere Teilwelle der Gelenkwelle kann ebenfalls wenigstens einen Durchmessersprung zur Erfüllung von Crash-Anforderungen aufweisen, wobei dieser Durchmessersprung nicht an einem Schwingungsbauch einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz, welche zu verschieben ist, angeordnet ist. Mittels des wenigstens einen Durchmessersprungs wird somit zumindest die Teilwelle, die dazu eingerichtet ist, mit dem Hinterachsgetriebe des Kraftfahrzeugs verbunden zu werden, an dem wenigstens einen Schwingungsbauch der vorgegebenen Schwingungsfrequenz in ihrer Steifigkeit geändert, wobei eine Gefahr eines Heulens des Hinterachsgetriebes besonders geringgehalten werden kann.
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Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die vorgegebene Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von einer zu dämpfenden Schallfrequenz vorgegeben ist. Das bedeutet, dass eine beispielsweise in dem Innenraum des Kraftfahrzeugs oder in eine Umgebung des Kraftfahrzeugs abstrahlende Schallfrequenz vorgegeben ist, welche zu dämpfen ist, beispielsweise um ein Akustikverhalten des Kraftfahrzeugs gezielt einzustellen. Über diese vorgegebene zu dämpfende Schallfrequenz wird die dieser Schallfrequenz zugeordnete Schwingungsfrequenz der Antriebswelle ermittelt. Für diese der Schallfrequenz zugeordnete ermittelte Schwingungsfrequenz der Antriebswelle werden an Stellen jeweiliger Schwingungsbäuche entlang der Antriebswelle jeweilige Durchmessersprünge vorgesehen. Durch das Vorgeben der Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der zu dämpfenden Schallfrequenz kann die zu dämpfende Schallfrequenz besonders präzise durch das Einstellen der Steifigkeit der Antriebswelle gedämpft werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einer Antriebswelle, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Antriebswelle beschrieben worden ist. Hierbei kann die Antriebswelle insbesondere mit einem Hinterachsgetriebe des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Insbesondere ist die Antriebswelle über ein Kugelfestgelenk oder eine Gelenkscheibe mit dem Hinterachsgetriebe verbunden. Über eine Gelenkscheibe kann die Antriebswelle anderenends ein Drehmoment empfangen. Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antriebswelle sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs anzusehen und umgekehrt.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Bereitstellen einer Antriebswelle, bei welchem wenigstens eine Position eines Schwingungsbauchs für eine vorgegebene Schwingungsfrequenz entlang einer Länge der Antriebswelle ermittelt wird. Weiterhin ist es bei dem Verfahren vorgesehen, dass an der ermittelten wenigstens einen Position ein Durchmessersprung eines Durchmessers der Antriebswelle vorgesehen wird. Es ist überdies bei dem Verfahren vorgesehen, dass die Antriebswelle mit dem Durchmessersprung an der wenigstens einen Position bereitgestellt wird. Beispielsweise kann im Rahmen einer Simulation für ein Modell der Antriebswelle die Position wenigstens eines Schwingungsbauchs für die vorgegebene Schwingungsfrequenz ermittelt werden. Weiterhin kann für das Modell der Antriebswelle an der ermittelten wenigstens einen Position der Durchmessersprung geplant werden. Basierend auf dem Modell kann im Anschluss daran die Antriebswelle modellgetreu mit dem Durchmessersprung an der wenigstens einen Position hergestellt werden. Hierdurch kann im Rahmen des Verfahrens die Antriebswelle, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Antriebswelle beschrieben worden ist, bereitgestellt werden. Das Verfahren ermöglicht das Bereitstellen der Antriebswelle, bei welcher eine Schwingungsamplitude der Antriebswelle für die vorgegebene Schwingungsfrequenz besonders gut reduziert ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenn entlang der Länge der Antriebswelle für die vorgegebene Schwingungsfrequenz mehrere Schwingungsbäuche ermittelt werden, an jeder einem jeweiligen Schwingungsbauch zugeordneten Position ein Durchmessersprung der Antriebswelle vorgesehen wird. Das bedeutet, dass für jeden Schwingungsbauch der vorgegebenen Schwingungsfrequenz entlang der Länge der Antriebswelle jeweils ein Durchmessersprung zur Versteifung der Antriebswelle an den jeweiligen Schwingungsbäuchen vorgesehen wird. Hierdurch kann eine besonders gute und zuverlässige Amplitudenreduktion der vorgegebenen Schwingungsfrequenz erreicht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Position mittels einer Finite-Elemente-Methode und/oder mittels einer Mehrkörpersimulation ermittelt wird. Das Ermitteln der Position mittels der Finite-Elemente-Methode bzw. mittels der Mehrkörpersimulation ermöglicht ein besonders präzises Ermitteln jeweiliger Positionen von Schwingungsbäuchen der vorgegebenen Schwingungsfrequenz, wodurch wiederum durch eine Anordnung der jeweiligen Durchmessersprünge an den ermittelten Positionen die vorgegebene Schwingungsfrequenz besonders zuverlässig und präzise verschoben werden kann.
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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 allein 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Draufsicht einer als Gelenkwelle ausgebildeten und mit einem Hinterachsgetriebe verbundenen Antriebswelle des Stands der Technik, bei welcher durch Eigenfrequenzen der Antriebswelle ein Heulen des Hinterachsgetriebes hervorgerufen werden kann,
- 2 eine schematische Draufsicht der mit dem Hinterachsgetriebe verbundenen Antriebswelle bei ausgeblendetem Hinterachsträger, wobei zwei Schwingungsbäuche einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz erkannt werden können,
- 3 eine schematische Draufsicht der mit dem Hinterachsgetriebe verbundenen Antriebswelle, welche an den Schwingungsbäuchen zugeordneten Positionen entlang ihrer Länge jeweilige durch Ausstülpungen bereitgestellte Durchmessersprünge aufweist, wodurch die Antriebswelle lokal in ihrer Steifigkeit angepasst ist, und
- 4 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts der Antriebswelle längsgeschnitten durch eine Position mit dem Durchmessersprung.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einer schematischen Draufsicht eine mit einem Hinterachsgetriebe 10 verbundene Antriebswelle 12 für ein Kraftfahrzeug gezeigt. Die Antriebswelle 12 ist als Gelenkwelle mit einer vorderen Teilwelle 14 und einer hinteren Teilwelle 16 ausgebildet. Die hintere Teilwelle 16 ist einenends mit dem Hinterachsgetriebe 10 über ein Kugelfestgelenk 18 verbunden. Die vordere Teilwelle 14 ist dazu eingerichtet, über eine Gelenkscheibe 20 ein Drehmoment zu empfangen, welches über die Antriebswelle 12 an das Hinterachsgetriebe 10 weitergeleitet werden kann. Vorliegend sind die vordere Teilwelle 14 und die hintere Teilwelle 16 über ein Kardangelenk 22 gelenkig aneinandergehalten.
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Wie in 1 erkannt werden kann, kann die vordere Teilwelle 14 mehrere erste Durchmessersprünge 24 zur Erfüllung von Crash-Anforderungen aufweisen. Bei dem in 1 gezeigten Aufbau der Antriebswelle 12, bei welcher die hintere Teilwelle 16 im Wesentlichen durch ein gerades Rohr bereitgestellt wird, können aufgrund von Luftschallabstrahlung sowie Körperschallübertragung Schwingungen an das Hinterachsgetriebe 10 und über das Hinterachsgetriebe 10 an einen Hinterachsträger 26 übertragen werden, wodurch unerwünschter Schall in dem die Antriebswelle 12 aufweisenden Kraftfahrzeug auftreten kann. Bei diesem Schall kann es sich um das sogenannte „Heulen“ des Hinterachsgetriebes 10 handeln. Dieser unerwünschte Schall ist hauptsächlich durch Eigenschwingungen insbesondere durch Eigenschwingungen der Antriebswelle 12, insbesondere der hinteren Teilwelle 16, bedingt.
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Um dieses Heulen des Hinterachsgetriebes 10 zu vermindern und eine Eigenfrequenz der hinteren Teilwelle 16 einzustellen, kann im Rahmen eines Herstellungsverfahrens für die Antriebswelle 12, wie in 2 gezeigt ist, wenigstens eine Position eines Schwingungsbauchs 28 für eine vorgegebene Schwingungsfrequenz entlang einer Länge der Antriebswelle 12, insbesondere entlang einer Länge der hinteren Teilwelle 16, ermittelt werden. Die vorgegebene Schwingungsfrequenz ist insbesondere in Abhängigkeit von einer zu dämpfenden Schallfrequenz in dem Kraftfahrzeug vorgegeben. Vorliegend treten für die vorgegebene Schwingungsfrequenz jeweilige Schwingungsbäuche 28 an zwei Positionen der hinteren Teilwelle 16 auf. An diesen ermittelten Positionen der Schwingungsbäuche 28 entlang der Länge der hinteren Teilwelle 16 werden, wie in 3 gezeigt ist, für ein lokales Ändern einer Steifigkeit der hinteren Teilwelle 16 und infolgedessen ein Einstellen einer Steifigkeit der hinteren Teilwelle 16 jeweilige zweite Durchmessersprünge 30 vorgesehen. Einer dieser zweiten Durchmessersprünge 30 ist in 4 vergrößert in einer Schnittansicht dargestellt. Hierbei kann erkannt werden, dass der Durchmesser d2 an der Position der hinteren Teilwelle 16 größer ist als die Durchmesser d1 von entlang der Länge der hinteren Teilwelle 16 an die Position anschließenden Bereichen der hinteren Teilwelle 16. Wie weiterhin in 4 erkannt werden kann, wird der zweite Durchmessersprung 30 der hinteren Teilwelle 16 vorliegend durch eine Ausstülpung bereitgestellt.
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Wie aus den 2 und 3 besonders gut hervorgeht, wird vorliegend an jeder einem jeweiligen Schwingungsbauch 28 zugeordneten Position ein jeweiliger zweiter Durchmessersprung 30 vorgesehen, wenn entlang der Länge der hinteren Teilwelle 16 für die vorgegebene Schwingungsfrequenz mehrere Schwingungsbäuche 28 ermittelt worden sind. Die jeweiligen Positionen der Schwingungsbäuche 28 können mittels einer Finite-Elemente-Methode und/oder mittels einer Mehrkörpersimulation ermittelt werden.
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Der beschriebenen Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die vordere Teilwelle 14 und die hintere Teilwelle 16 der als Gelenkwelle ausgebildeten Antriebswelle 12 zusammen mit einem Ritzel des Hinterachsgetriebes 10 ein schwingungsfähiges System bilden. Eigenformen, die sich je nach Frequenz der Schwingung einstellen, hängen hauptsächlich von einer Lage der Gelenke der Antriebswelle 12 sowie einer elastischen Steifigkeit der vorderen Teilwelle 14 und der hinteren Teilwelle 16 ab. Mittels Finite-Elemente-Methoden und Mehrkörpersimulationsrechnung sowie Messungen an einem Akustikprüfstand kann festgestellt werden, dass insbesondere eine zweite Biegeeigenschwingung der hinteren Teilwelle 16 wesentlich zu einem Störgeräusch des Heulens des Hinterachsgetriebes 10 beitragen kann. Angeregt wird diese Eigenschwingung durch eine Verzahnungsordnung des Hinterachsgetriebes 10. Durch Berechnung eines Frequenzgangs bei Schwingungsanregung durch eine Zahnkraft im Hinterachsgetriebe 10 kann gezeigt werden, dass diese Schwingung energiereich ist und sich über ein breites Frequenzband ausbildet. Lokale Eigenschwingungen von Bauteilen, die schwingungsgekoppelt mit dem schwingungsfähigen System aus Gelenkwelle und Ritzel verbunden sind, können daher von dieser Biegeschwingung gut angeregt werden. Dadurch kann es zu einer ungewünschten Koppelschwingung kommen, die für einen hohen Körperschallpegel im Kraftfahrzeug verantwortlich sein kann. Dieser Körperschall kann sich über eine Lagerung des Hinterachsgetriebes 10 auf den Hinterachsträger 26 und weiter über eine Lagerung des Hinterachsträgers 26 auf eine Karosserie ausbreiten. Von der Karosserie kann der Körperschall als Luftschall abgestrahlt werden, der von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs als Störgeräusch, insbesondere als Heulen, wahrgenommen werden kann. Ein weiteres Problem kann eine Abstrahlung von direktem Luftschall an der hinteren Teilwelle 16 darstellen. Dieser Luftschall kann Bleche am Unterboden des Kraftfahrzeugs zum Schwingen anregen. Diese Schwingung kann innerhalb der Karosserie weitergeleitet werden und wieder als Luftschall in den Innenraum einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs abgestrahlt und vom Fahrer als Störgeräusch, insbesondere Heulen, wahrgenommen werden.
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Eine effektive Möglichkeit zur Veränderung der Biegeschwingung der hinteren Teilwelle 16 ist es, Steifigkeitssprünge in die Schwingungsbäuche 28 zu legen. Ein Steifigkeitssprung lässt sich insbesondere durch eine Stülpung umsetzen. Durch diese Maßnahme kann eine deutliche Reduktion des Störgeräuschs des Heulens des Hinterachsgetriebes 10 erreicht werden. Es kann somit durch eine entsprechende geometrische Gestaltung der Antriebswelle 12 das Akustikverhalten der Antriebswelle 12 optimiert werden. Bei dieser geometrischen Gestaltung erfolgt eine gezielte Steifigkeitsveränderung der Antriebswelle 12 insbesondere durch Stülpungen bzw. Durchmessersprünge an den Positionen der maximalen Schwingungsamplitude, vorliegend der Schwingungsbäuche 28. Es wird hierdurch eine Gelenkwelle mit mehreren zweiten Durchmessersprüngen 30 anstatt eines wie beim Stand der Technik üblichen geraden Rohrs mit maximal einem einzigen Durchmessersprung erhalten. Durch die Veränderung der Eigenfrequenz der Antriebswelle 12 kann gezielt Einfluss auf eine sich ausprägende Achsgetriebeschwingung und Achsgetriebeakustik genommen werden. Zudem kann eine Außengeometrie der Antriebswelle 12 eine Abstrahlung und Überlagerung des Luftschalls positiv beeinflussen. Vorliegend wird die hintere Teilwelle 16 mit zwei zweiten Durchmessersprüngen 30 versehen, welche durch Ausstülpungen realisiert sind. Ausgehend von dem Durchmesser d1 wird der Durchmesser der hinteren Teilwelle 16 an der Position des Schwingungsbauchs 28 auf den Durchmesser d2 aufgeweitet und direkt danach wieder auf den Durchmesser d1 zurückgeführt. Dies erfolgt an beiden Schwingungsbäuchen 28.
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Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine akustisch optimierte Gelenkwelle bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hinterachsgetriebe
- 12
- Antriebswelle
- 14
- vordere Teilwelle
- 16
- hintere Teilwelle
- 18
- Kugelfestgelenk
- 20
- Gelenkscheibe
- 22
- Kardangelenk
- 24
- erster Durchmessersprung
- 26
- Hinterachsträger
- 28
- Schwingungsbauch
- 30
- zweiter Durchmessersprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007031186 B4 [0003]
