DE10243279A1 - Kupplung mit konischer Verzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung - Google Patents

Abstract

Kupplung mit konischer Verzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Drehmomentübertragung zwischen einer Kurbelwelle eines Antriebsmotors und einem Getriebe, wobei mindestens eine Steckverzahnung, mit einer konischen Verzahnung an einer kupplungsseitigen Antriebswelle, und einer formschlüssig zu der kupplungsseitigen Verzahnung ausgebildeten sekundärmassenseitigen konischen Verzahnung an einer Nabe eines, durch eine Federung axial federnd gelagerten Teils einer Sekundärmasse eines mit einer Primärmasse an der Kurbelwelle befestigten Drehschwingungsdämpfers, angeordnet ist, und wobei durch Gegeneinanderdrücken der Verzahnungen über eine Federkraft unter Ausnutzung mindestens eines Teils des zur Verfügung stehenden axialen Federweges der Federung, bei zusammengefügtem Getriebe und Antriebsmotor eine verdrehspielfreie kraftschlüssige Verbindung mit der Sekundärmasse bildbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kupplung mit konischer Verzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Drehmomentübertragung zwischen einer Kurbelwelle eines Antriebsmotors und einem Getriebe.
• Bei Antriebsmotoren von Kraftfahrzeugen entstehen, insbesondere bei hohen Drehmomenten und gleichzeitig niedrigen Drehzahlen in höheren Gängen, unkomfortable und den Verschleiß erhöhende Drehschwingungen, die ein sogenanntes Getrieberasseln verursachen. Dies versucht man mit Drehschwingungsdämpfern, wie z.B. Schwungrädern, auszugleichen. Besonders günstig für ein komfortables und verschleißarmes Getriebe hat sich der Einsatz eines Zweimassenschwungrades erwiesen. Ein Zweimassenschwungrad setzt eine zweigeteilte Schwungmasse (Primärschwungrad und Sekundärschwungrad) voraus, die untereinander mit Hilfe von Drehfedern, beispielsweise gebogenen Schraubenfedern verbunden sind. Die primäre Schwungmasse ist dabei an der Kurbelwelle des Antriebsmotors befestigt, die sekundäre Schwungmasse ist meist durch eine Steckverzahnung einer Nabe mit einer Welle der Fahrzeugkupplung, etwa einer Getriebeeingangswelle, verbunden. Auftretende Drehschwingungen zwischen Antriebsmotor und Kupplung, bzw. Getriebe, werden durch die Torsionsdämpfung des Zweimassenschwungrades über die Drehfedern teilweise gedämpft bzw. ausgeglichen. Das Sekundärschwungrad kann zusätzlich mit einer axialen Federung versehen sein, um axiale Kurbelwellenbewegungen auszugleichen. Dazu ist es bekannt, die Sekundärseite des Drehschwingungsdämpfers in zwei Hälften zu teilen, die relativ zueinander, in axialer Richtung federnd, angeordnet sind.
• Bisher wird jedoch bei der Vermeidung des Getrieberasselns das Verdrehspiel der Zahnflanken der Steckverzahnungen nicht ausreichend berücksichtigt. Dies ist insbesondere bei Doppelkupplungsgetrieben, die mehrere Steckverzahnungen mit den, bei Doppelkupplungsgetrieben wegen des zur Verfügung stehenden knappen Einbauraums üblichen, besonders kompakten Zweimassenschwungrädern aufweisen, problematisch.
• Eine Verringerung des Getrieberasselns versprechen anstelle der bisher verwendeten zylindrischen Steckverzahnungen hochpräzise konischen Verzahnungen, die beispielsweise als Laufverzahnungen in Getrieben für Industrieroboter oder Druckmaschinen zum Einsatz kommen. Diese sind aber nicht ohne weiteres auf die Konstruktionen von Getriebe bzw. Kupplung in Kraftfahrzeugen übertragbar.
• Aus der DE OS 2 119 325 ist eine formschlüssige Kupplung zum Übertragen großer Drehmomente zwischen einem Wellenzapfen oder Vollwelle und einer Nabe oder Hohlwelle bekannt. Die Hohlwelle ist auf die Vollwelle aufgeschoben, so dass die Stirnflächen von Welle und Nabe in einer gemeinsamen Ebene liegen. In die Stirnflächen sind Nuten unter einem Winkel von 45° zur Wellenachse eingeschnitten. Die Nuten liegen je zur Hälfte in der Welle und der Nabe. Zur formschlüssigen Verbindung von Welle und Nabe greift ein Kupplungsring in die Nuten, dessen Zähne dem Profil der Nuten entsprechen. Der Kupplungsring wird durch einen Deckel gehalten, der mit einer Schraube in einer Gewindebohrung des Zapfens verschraubt ist. Dadurch wird die Aufgabe gelöst, eine Welle-Nabe-Verbindung zu schaffen, die bei Bedarf wieder leicht lösbar ist, im Gegensatz zu Welle-Nabe Verbindungen mit durch Reibschluss verbundenen Spannelementen, die nach einer längeren Betriebsdauer aufgrund von Korrosion nur noch schwer demontierbar sind.
• Nachteilig wirkt sich aus, dass die konische Verbindung zwar formschlüssig ist, durch Fertigungstoleranzen der Zahnflanken des Kupplungsrings und der Nuten aber ein bestimmtes Verdrehflankenspiel der Verzahnung bestehen bleibt, so dass ein Rasseln von Bauteilen der Kupplung nicht ausreichend vermieden wird.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kupplung mit einer konischen Verzahnung für eine Welle-Nabe-Verbindung zu schaffen, bei der ein Rasseln von Bauteilen aufgrund von Zahnflankenspielen eliminiert wird.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass mindestens eine Steckverzahnung, mit einer konischen Verzahnung an einer kupplungsseitigen Antriebswelle, und einer formschlüssig zu der kupplungsseitigen Verzahnung ausgebildeten sekundärmassenseitigen konischen Verzahnung an einer Nabe eines, durch eine Federung axial federnd gelagerten Teils einer Sekundärmasse eines mit einer Primärmasse an der Kurbelwelle befestigten Drehschwingungsdämpfers, angeordnet ist, und dass durch Gegeneinanderdrücken der Verzahnungen über eine Federkraft unter Ausnutzung mindestens eines Teils des zur Verfügung stehenden axialen Federweges der Federung bei zusammengefügtem Getriebe und Antriebsmotor eine verdrehspielfreie kraftschlüssige Verbindung mit der Sekundärmasse bildbar ist.
• Die konische Verzahnung an der kupplungsseitigen Antriebswelle kann als eine Außenverzahnung und die konische Verzahnung an der Sekundärmasse als eine Innenverzahnung ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die konische Verzahnung an der kupplungsseitigen Antriebswelle als die Innenverzahnung und die konische Verzahnung an der Sekundärmasse als die Außenverzahnung ausgebildet ist.
• Die konischen Verzahnungen werden mittels der axial federnden Sekundärmasse des Drehschwingungsdämpfers durch die Federkraft entlang des Federwegs gegeneinander gedrückt. Die federnde Sekundärmasse des Drehschwingungsdämpfers ist geteilt, vorzugsweise in zwei Hälften, wobei die axiale Federung zwischen den beiden Hälften angeordnet ist. Die notwendige Vorspannkraft wird beim Montieren des Getriebes an den Motor aufgebaut. Dadurch wird das Verdrehflankenspiel der Steckverzahnung eliminiert und ein Rasseln der Verzahnung vermieden. Dies wirkt sich günstig auf Komfort und Verschleiß aus.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist durch geeignete Wahl der axialen Länge der Federung und der Federkonstante eine vorgebbare Federkraft zur verdrehspielfreien Wirkverbindung zwischen der Antriebswelle und der Sekundärmasse unter Berücksichtigung eines Ausgleichsweges eines axialen Kurbelwellenspiels einstellbar.
• Neben der Erzeugung der Vorspannung für die verdrehspielfreie Steckverzahnung kann die axiale Federung die Funktion eines Ausgleichs axialer Kurbelwellenbewegungen erfüllen. Dadurch werden mechanische Spannungen zwischen den motorseitigen und den getriebeseitigen Bauteilen vermieden. Dies trägt im Zusammenwirken mit der verdrehspielfreien konischen Steckverzahnung zusätzlich zur weiteren Reduzierung des Getrieberasselns bei und vermindert den Verschleiß von Getriebebauteilen. Axiale Länge und Federkonstante der Federung werden dazu entsprechend ausgelegt. Dadurch wird eine Federkraft eingestellt, die in jedem Fall bei den Ausgleichbewegungen der Kurbelwelle die kraftschlüssige verdrehspielfreie Verbindung der Steckverzahnung aufrecht erhält.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die kupplungsseitige Antriebswelle Bestandteil einer Doppelkupplung eines Doppelkupplungsgetriebes, und sind alle, zwischen der der Sekundärmasse zugewandten Sekundärseite des Drehschwingungsdämpfers und der dem Drehschwingungsdämpfer zugewandten Primärseite der Doppelkupplung angeordneten konischen Steckverzahnungen in Wirkverbindung mit der Federung verdrehspielfrei ausgebildet.
• Doppelkupplungen beinhalten primärseitig, d.h. zu dem Drehschwingungsdämpfer hin gewandt, in der Regel mehrere Verzahnungen. Diese Verbindungen stellen mehrere Quellen für Getrieberasseln dar. Durch Ausführung dieser Verzahnungen als konische Steckverzahnungen kann das Verdrehflankenspiel aller Verzahnungen und damit der gesamten Verbindung durch die kraftschlüssige Verbindung über die Federung eliminiert werden. Die konischen verdrehspielfreien Steckverzahnungen sind somit in Doppelkupplungsgetrieben besonders effektiv einsetzbar.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Drehschwingungsdämpfer mit der konischen Steckverzahnung als ein unvollständiges Zweimassenschwungrad ausgebildet, derart, dass durch die Sekundärmasse des Drehschwingungsdämpfers in Wirkverbindung mit der Primärseite der Doppelkupplung ein für die volle Funktion eines Zweimassenschwungrads ausreichendes Massenträgheitsmoment der Sekundärseite bildbar ist.
• Bei Doppelkupplungsgetrieben, insbesondere für den Quereinbau bei Fahrzeugen mit Frontantrieb, stellt der Drehschwingungsdämpfer aus Bauraumgründen kein vollständiges Zweimassenschwungrad dar. Erst gemeinsam mit der Primärseite der Doppelkupplung ist das Massenträgheitsmoment der Sekundärseite ausreichend für die Funktion eines Zweimassenschwungrads. Das Zweimassenschwungrad kann beispielsweise in einem Mitnahmeblech, auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite, integriert sein Es ist auch möglich, dass das Zweimassenschwungrad in dem Kupplungsgehäuse integriert ist. Ein Teil des Sekundärschwungrades kann dann durch die Andruckflächen der Kupplungen der Doppelkupplung gebildet werden. Unvollständige Zweimassenschwungräder mit mehreren Steckverzahnungen sind besonders anfällig für Getrieberasseln. Daher sind die verdrehspielfreien konischen Steckverzahnungen hier besonders wirkungsvoll.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die kupplungsseitige konische Verzahnung der Steckverzahnung an einer Getriebeeingangswelle eines Handschaltgetriebes angeordnet und der Drehschwingungsdämpfer als ein vollständiges Zweimassenschwungrad ausgebildet.
• Die verdrehspielfreie konische Verzahnung lässt sich auch kostengünstig und effektiv auf die Getriebeeingangswelle eines konventionellen Handschaltgetriebes mit Zweimassenschwungrad anwenden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Steckverzahnung eine dem axialen Federweg angepasste Profilverschiebung längs der Zahnbreite auf, so dass die Außen- und Innenverzahnungen bei der Wirkverbindung von Drehschwingungsdämpfer und Welle über die ganze Zahnbreite vollständig ineinanderfügbar sind.
• Das Profil der konischen Verzahnung verschiebt sich entlang der Zahnbreite b um den Betrag x·m_n. Dabei ist x der Verschiebeweg und m_n = p/π die Maßstabsgröße der Verschiebung. Diese bezieht sich auf den Abstand p zweier gleichliegender Flanken auf dem Wälzkreis. Der Index n bezieht sich auf einen Normalschnittwert. Der Maßstab m_n wird so gewählt, das die Verzahnungen über den Federweg vollständig ineinandergefügt werden. Dadurch erhält die Welle-Nabe-Verbindung die nötige Stabilität zur Übertragung auch großer Drehmomente. Dabei kann ein Teil des Federwegs zum Ausgleich für die axialen Kurbelwellenbewegungen berücksichtigt werden.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Federung als eine Mehrzahl von Federelementen, die umlaufend beabstandet zu einer, durch die Antriebswelle und die Nabe festgelegten Mittelachse, zwischen den Sekundärmassenteilen angeordnet sind, ausgebildet. Die Federelemente können als Schraubenfedern oder als Federlaschen oder als Blattfedern ausgebildet sein. Sie können auch als hydraulisch oder pneumatische Federelemente ausgebildet sein.
• Dadurch, dass die Federelemente umlaufend um die Mittelachse angeordnet sind, wird bei Zusammenfügen von Getriebe und Motor über die gesamte Stirnfläche der Sekundärmasse die Federkraft ausgeübt. Dadurch wird eine gleichmäßig über den Konus verteilte Vorspannung der Steckverzahnung erreicht, wodurch wiederum ungünstige mechanische Spannungen zwischen den Bauteilen vermieden werden. Vorzugsweise können Schraubenfedern oder Federlaschen oder Blattfedern als Federelemente verwendet werden. Diese sind kostengünstig und mit beliebigen Längen und Federkonstanten verfügbar oder leicht herstellbar. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das hydraulische oder pneumatische Federelemente zum Einsatz kommen.
• Dabei wäre es denkbar, diese auch noch nach dem Zusammenbau von Getriebe und Motor oder sogar während des Betriebes zu verstellbar und abstimmbar auszuführen.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist. Es zeigt
• 1: eine schematische Seitenansicht einer konischen Steckverzahnung einer Doppelkupplung mit einer axial gefederten Sekundärseite eines Zweimassenschwungrads im Schnitt.
• Eine Doppelkupplung 13 mit einer konischen Welle-Nabe-Verbindung besteht im wesentlichen aus einer konischen Steckverzahnung 1, die mit einer federnd gelagerten Sekundärmasse 6 eines Drehschwingungsdämpfers 15 in Wirkverbindung eine kraftschlüssige verdrehspielfreie Verbindung bildet.
• Die konische Steckverzahnung 1 wird durch eine Außenverzahnung 2 und eine entsprechend geformte Innenverzahnung 3 gebildet. Die Außenverzahnung 2 ist als umlaufender koaxial zu einer Mittelachse 17 ausgebildeter Konus an dem der Sekundärmasse 6 zugewandten einen Ende einer kupplungsseitigen Antriebswelle 4, etwa einer Getriebeeingangswelle, der nicht explizit in 1 dargestellten Doppelkupplung 13 angeordnet. Die Innenverzahnung 3 befindet sich in einer entsprechend des Konus der Außenverzahnung 2 geformten Nabe 5. Die Nabe 5 ist als Aussparung eines Sekundärmassenteils 7, ein integrierter Bestandteil der Sekundärmasse 6 des Drehschwingungsdämpfers 15. Der Drehschwingungsdämpfer 15 ist als Zweimassenschwungrad mit der Sekundärmasse 6 und einer nicht dargestellten Primärmasse ausgebildet. Die Primärmasse ist mit einer nicht explizit dargestellten Kurbelwelle 14 verbunden. Zwischen der Primärmasse und der Sekundärmasse 6 sind zum Ausgleich von Drehschwingungen zwischen Antriebsmotor, bzw. Kurbelwelle 14 und Getriebe, Torsionsdämpfungselemente angeordnet. Da die Bauart und Funktionsweise der Torsionsdämpfungselemente in Zweimassenschwungrädern prinzipiell bekannt ist, wird hier nicht weiter ausführlich darauf eingegangen.
• Die Sekundärmasse 6 ist als geteilte Schwungmasse aus dem Sekundärmassenteil 7 mit der Nabe 5 und einem zweiten, vollen Sekundärmassenteil 8, aufgebaut. Die beiden Bauteile 7, 8 sind durch eine axiale Federung 9 verbunden, bzw. axial federnd gelagert.
• Die Federung 9 ist vorteilhaft aus mehreren, beabstandet zu der Mittelachse 17 umlaufend zwischen den Massen 7, 8 angeordneten Schraubenfedern ausgebildet.
• Die Federung 9 erfüllt zwei Funktionen: Zum einen bewirkt sie eine kraftschlüssige Verbindung der Verzahnungen 2, 3, zum anderen ermöglicht sie axiale Ausgleichsbewegungen 12 der Kurbelwelle 14 in der Mittelachse 17. Bei der Montage des nicht dargestellten Getriebes an den nicht dargestellten Antriebsmotor werden die Verzahnungen 2, 3 in einer Montagerichtung 16 über eine Zahnbreite (b) 11 ineinandergefügt. Vorteilhaft entspricht die Zahnbreite 11 der Stärke des Sekundärmassenteils 7. Bei der Montage wird ein Teil des Fedennreges 10 genutzt, um eine Vorspannung zwischen den Verzahnungen 2, 3 aufzubauen und somit eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Doppelkupplung 13 und dem Drehschwingungsdämpfer 15 zu bilden. Über die Federkraft werden dabei die Zahnprofile gegeneinandergedrückt, so dass bei Drehbewegungen kein Spielraum zwischen den Zahnflanken verbleibt, d.h. dass das ansonsten vorhandene Verdrehflankenspiel eliminiert wird. Dadurch wird das Getrieberasseln, aufgrund von Aneinanderschlagen der Zahnflanken vermieden.

1

Steckverzahnung

2

Außenverzahnung der Steckverzahnung 1

3

Innenverzahnung der Steckverzahnung 1

4

Antriebswelle der Doppelkupplung 13

5

Nabe des Sekundärmassenteils 7

6

Sekundärmasse des Drehschwingungsdämpfers 15

7

Sekundärmassenteil (Nabe)

8

Sekundärmassenteil (Vollteil)

9

Federung

10

Axialer Federweg

11

Zahnbreite

12

Axiales Kurbelwellenspiel

13

Doppelkupplung (nicht explizit dargestellt)

14

Kurbelwelle (nicht explizit dargestellt)

15

Drehschwingungsdämpfer

16

Montagerichtung zum Zusammenbau von Antriebsmotor und Getriebe

17

Mittelachse

Claims (12)

1. Kupplung mit konischer Verzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Drehmomentübertragung zwischen einer Kurbelwelle eines Antriebsmotors und einem Getriebe, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Steckverzahnung (1), mit einer konischen Verzahnung an einer kupplungsseitigen Antriebswelle (4), und einer formschlüssig zu der kupplungsseitigen Verzahnung ausgebildeten sekundärmassenseitigen konischen Verzahnung an einer Nabe (5) eines, durch eine Federung (9) axial federnd gelagerten Teils (7) einer Sekundärmasse (6) eines mit einer Primärmasse an der Kurbelwelle (14) befestigten Drehschwingungsdämpfers (15), angeordnet ist, und dass durch Gegeneinanderdrücken der Verzahnungen über eine Federkraft unter Ausnutzung mindestens eines Teils des zur Verfügung stehenden axialen Federweges (10) der Federung (9) bei zusammengefügtem Getriebe und Antriebsmotor eine verdrehspielfreie kraftschlüssige Verbindung mit der Sekundärmasse (6) bildbar ist.
2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Verzahnung an der kupplungsseitigen Antriebswelle (4) als eine Außenverzahnung (2) und die konische Verzahnung an der Sekundärmasse (6) als eine Innenverzahnung (3) ausgebildet ist.
3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Verzahnung an der kupplungsseitigen Antriebswelle (4) als die Innenverzahnung (3) und die konische Verzahnung an der Sekundärmasse (6) als die Außenverzahnung (2) ausgebildet ist.
4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Wahl der axialen Länge der Federung (9) und der Federkonstante eine vorgebbare Federkraft zur verdrehspielfreien Wirkverbindung zwischen der Antriebswelle (4) und der Sekundärmasse (6) unter Berücksichtigung eines Ausgleichsweges eines axialen Kurbelwellenspiels (12) einstellbar ist.
5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kupplungsseitige Antriebswelle (4) Bestandteil einer Doppelkupplung (13) eines Doppelkupplungsgetriebes ist, und dass alle, zwischen der der Sekundärmasse (6) zugewandten Sekundärseite des Drehschwingungsdämpfers (15) und der dem Drehschwingungsdämpfer (15) zugewandten Primärseite der Doppelkupplung (13) angeordneten konischen Steckverzahnungen in Wirkverbindung mit der Federung (9) verdrehspielfrei ausgebildet sind.
6. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschwingungsdämpfer (15) mit der konischen Steckverzahnung (1) als ein unvollständiges Zweimassenschwungrad ausgebildet ist, derart, dass durch die Sekundärmasse (6) des Drehschwingungsdämpfers (15) in Wirkverbindung mit der Primärseite der Doppelkupplung (13) ein für die volle Funktion eines Zweimassenschwungrads ausreichendes Massenträgheitsmoment der Sekundärseite bildbar ist.
7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kupplungsseitige konische Verzahnung der Steckverzahnung (1) an einer Getriebeeingangswelle eines Handschaltgetriebes angeordnet ist, und dass der Drehschwingungsdämpfer (15) als ein vollständiges Zweimassenschwungrad ausgebildet ist.
8. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverzahnung (1) eine dem axialen Federweg (10) angepasste Profilverschiebung längs der Zahnbreite (11) aufweist, so dass die Außen- und Innenverzahnungen (2, 3) bei der Wirkverbindung von Drehschwingungsdämpfer (15) und Antriebswelle (4) über die ganze Zahnbreite (11) vollständig ineinanderfügbar sind.
9. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federung (9) als eine Mehrzahl von Federelementen, die umlaufend beabstandet zu einer, durch die Antriebswelle (4) und die Nabe (5) festgelegten Mittelachse (17), zwischen den Sekundärmassenteilen (7, 8) angeordnet sind, ausgebildet ist.
10. Kupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als Schraubenfedern oder als Federlaschen oder als Blattfedern ausgebildet sind.
11. Kupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als hydraulische Federelemente ausgebildet sind.
12. Kupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als pneumatische Federelemente ausgebildet sind.