DE10261112A1

DE10261112A1 - Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung

Info

Publication number: DE10261112A1
Application number: DE10261112A
Authority: DE
Inventors: Carsten Behrensmeier; Holm Schmitt
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Neapco Europe GmbH
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: US20030119589A1; FR2833893A1; DE10261112B4; GB0214042D0; GB2383312A; GB2383312B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) mit einem oberen Bereich (50) aus Verbundwerkstoff und einem unteren Bereich (52), die genutzt werden, um ein Lager (22), welches eine Verbindungswelle in einem Fahrzeug-Antriebssystem (10) trägt, die bekannte Halterungen aus Eisen ersetzt. Der obere Bereich (50) aus Verbundwerkstoff ist aus einem Polymermaterial geformt, welches derart ausgeführt ist, dass es für ausgesprochen hohe Eigenfrequenzen auf Grund eines in geringen spezifischen Gewichts und hoher Festigkeit geeignet ist und eine Temperaturbeständigkeit gegenüber Verformung von mindestens 108 DEG C aufweist. Vorzugsweise ist das Polymermaterial mit einem Fasermaterial, vorzugsweise Glasfasern, verstärkt. Der untere Bereich (52) ist vorzugsweise aus dem gleichen Polymermaterial wie der obere Bereich (50) geformt, kann aber auch aus einem anderen prägbaren Metall geformt sein.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, eine Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung und ein Verfahren zur Verringerung von Gewicht in einem schräg angeordneten Antriebssystem.
In Fahrzeugen mit schräg verlaufend angeordneten Motoren ist ein Differentialgetriebe in Bezug auf die Längsmittelachse des Fahrzeugs üblicherweise exzentrisch anordnet. Um dennoch gleich lange Wellen und Verbindungswinkel für die rechte und linke Seite des Fahrzeugs zu erreichen, wie sie für eine problemlose und störfreie Nutzung des Fahrzeugs notwendig sind, ist eine Verbindungswelle notwendig. Die Verbindungswelle muss über eine Halterung gehalten sein, welche selbst wiederum mit einem Lager am Motorblock, am Gitterrahmen, am Fahrzeugrahmen oder am Boden des Fahrzeugs befestigt sind.
Das Lager, üblicherweise als Verbindungswellenlager bezeichnet, muss derart ausgelegt sein, das es den Belastungen, die durch die Verbindungswelle hervorrufen werden, standhält. Diese Belastungen beinhalten das Gewicht des Antriebsstrangs sowie die dynamischen Kräfte, die durch die Innen- und Außenverbindungen verursacht oder übertragen werden. Viel kritischer als diese Basisfunktion ist das Dämpfungsverhalten oder die Weiterleitung von Vibrationen, die vom Motor stammen, über den Antriebsstrang in die Fahrzeugstruktur des Fahrzeugs übertragen werden und vom Fahrer als unerwünschtes Geräusch wahrgenommen werden. Fahrzeugmessungen und CAE Untersuchungen haben gezeigt, dass, um die Geräusche so stark wie möglich zu reduzieren, die Eigenfrequenz der Verbindungswellenhalterung signifikant oberhalb der Eigenfrequenz des Motors liegen muss, vorzugsweise ein Mehrfaches, insbesondere ein Zweifaches betragen soll.
Bekannte Verbindungswellenhalterungen sind durchaus in der Lage, die Fahrzeugvibrationen zu reduzieren, haben aber dennoch eine Vielzahl von Nachteilen. Sie weisen, da sie üblicherweise aus Gusseisen bestehen, ein hohes Eigengewicht und eine geringe Festigkeit auf. Außerdem sind derartige Gusseisen-Verbindungswellenhalterungen relativ teuer und nur mit hohem Aufwand herzustellen.
Seit kurzem werden auch andere Materialien hinsichtlich einer Verwendung für eine Verbindungswellenhalterung untersucht. Eines dieser untersuchten Materialien ist Kunststoff. Kunststoffmaterialien weisen ein großes Potential auf, haben sich aber bisher nicht durchsetzen können, da das thermische Verhalten, das Belastungsverhalten und geeignete Herstellungsverfahren nicht ausreichend bekannt sind.
Demnach wäre es wünschenswert, eine Verbindungswellenhalterung bereitstellen zu können, die die Vibrationen und Geräusche des Antriebsstrangs reduziert und gleichzeitig eine hohe Festigkeit und ein geringes Eigengewicht aufweist. Dies und die Bereitstellung eines entsprechend geeigneten Antriebsstrangs ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie durch ein Verfahren zur Verringerung von Gewicht mit den Merkmalen des Anspruchs 16 erreicht.
Wesentlich für die Lösung der Aufgabe ist damit die die Nutzung von Verbundwerkstoff für die Herstellung einer Verbindungswellenhalterung, die im Antriebsstrang oder Antriebssystem einsetzbar ist. Die Verbundstoff- Verbindungswellenhalterung besteht aus einem Polymermaterial, welches für ausgesprochen hohe Eigenfrequenzen auf Grund eines geringen spezifischen Gewichts und hohe Festigkeit ausgelegt ist. Vorzugsweise ist das Polymermaterial durch ein Fasermaterial, beispielsweise durch ein Glasfasermaterial verstärkt.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Antriebssystem nach einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs-Antriebssystems nach einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Anschlussbereichs einer Verbindungswellenhalterung nach Fig. 2,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines oberen Bereichs der Verbindungswellenhalterung,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines oberen Bereichs der Verbindungswellenhalterung,
Fig. 6 ein erfindungsgemäße Verbindungswellenhalterung, in Seitenansicht.
In den folgenden Figuren werden die gleichen Bezugsziffern stets für die gleichen Bauteile, die in den verschiedenen Ansichten dargestellt sind, verwendet. Die Erfindung wird anhand eines Antriebssystems eines Steuersystems, insbesondere geeignet für den Automobilbereich, beschrieben. Trotzdem ist die vorliegende Erfindung ebenso geeignet für verschiedene andere Anwendungen, die ein Antriebssystem benötigen.
Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 8 mit einem Antriebsstrang oder einen Antriebssystem 10 nach einem bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Bezug nehmend auf die Fig. 2 und 3 besteht das Antriebssystem 10 aus einem Differentialgetriebe 12, welches exzentrisch in Bezug; auf eine Längsmittelachse des Fahrzeugs 8 angeordnet ist. Jeweils eine Achswelle 14 ist zwischen einem Außenlager 16 und einem Innenlager 18 an jeder Seite der Längsmittelachse des Fahrzeugs nach bekannter Art und Weise angeordnet. Um nun gleich lange Achswellen 14 und gleiche Winkel für die Lager 16, 18, die für ein neutrale und sichere Nutzung des Fahrzeugs Vorraussetzung sind, gewährleisten zu können, ist eine Verbindungswelle 20 zwischen dem Differentialgetriebe 12 und einem der Innenlager 18 angeordnet. Die Verbindungswelle 20 ist durch ein Lager 22 (vergleiche Fig. 6) gehalten, welches selbst wiederum über eine Verbindungswellenhalterung 24 am Motorblock oder am Gitterrahmen 27 befestigt ist (vergleiche Fig. 3).
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine perspektivische Ansicht eines oberen Bereichs 50 der erfindungsgemäßen Verbindungswellenhalterung 24, wie sie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Fig. 6 illustriert einen unteren Bereich 52der Verbindungswellenhalterung 24, welcher mit dem oberen Bereich 50 verbunden ist und das Lager 22 und die Verbindungswelle 20 umgibt (vergleiche Fig. 2 und 3).
Bezugnehmend auf die Fig. 4 und 5 wird deutlich, dass der obere Bereich 50 der Verbindungswellenhalterung 24 einen sphärischen Bereich 30, der das Lager 22 hält, und eine Vielzahl von Befestigungslöchern 32 zur Befestigung der Verbindungswellenhalterung am Motorblock oder am Gitterrahmen 27, aufweist. Die Befestigungslöcher 32 sind für Befestigungsmittel wie Befestigungsbolzen, Schrauben, Nieten oder Ähnliches geeignet. Der obere Bereich 50 weist weiterhin ein Paar Befestigungsbolzen 42 auf, welche in Öffnungen 64 des unteren Bereichs 52 einführbar sind.
Bezugnehmend auf Fig. 6 weist der untere Bereich 52 einen sphärischen Bereich 60, der einen unteren Bereich des Lagers 22 hält, und die oben genannten Öffnungen 64 auf. Die Öffnungen 64, die derart ausgeführt sind, dass sie mit dem Befestigungsbolzen 42 zusammenwirken können, können auch derart ausgebildet sein, dass sie geeignet sind, am oberen Bereich 50 befindliche Befestigungsmittel wie Schrauben, Nieten oder Ähnliches aufzunehmen. Wie am besten aus den Fig. 3 unter 6 erkennbar ist, umgeben und umschließen die sphärischen Bereiche 30, 60 einen Bereich des Lagers 22, welches die Verbindungswelle 20 hält.
Die in den Fig. 4 bis 6 gezeigte Verbindungswellenhalterung 24 ist aus einem Polymermaterial geformt, welches insbesondere für hohe Eigenfrequenzen auf Grund des geringen spezifischen Gewichtes und der hohen Festigkeit geeignet ist. Die Verbindungswellenhalterung 24 muss in der Lage sein, einer Verformung aufgrund einer Wärmeentwicklung bis mindestens 180 Grad Celsius widerstehen zu können, da solche gewöhnlich in Antriebssystemen 10 auftreten. Die Verbindungswellenhalterung 24 ist weiterhin ausgelegt, das Gewicht und die Kräfte auszuhalten, die durch das Antriebssystem 10 des entsprechenden Fahrzeugs 8 verursacht werden.
Die Verbindungswellenhalterung 24 kann durch eine Vielzahl unterschiedlicher, aus dem Kunststoffingenieurwesen bekannte Prozesse hergestellt werden, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, durch Spritzgießen oder Pressen. Es versteht sich von selbst, dass in Abhängigkeit der Größe sowie der Vibrationen und den Performance-Charakteristika der entsprechenden Fahrzeuge 8 eine Vielzahl unterschiedlicher Designvariationen möglich und eine große Materialauswahl gegeben ist, um die erfindungsgemäße Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung 24 zu schaffen.
Ein bevorzugtes Material, welches für die Herstellung der Verbindungswellenhalterung 24 nach Fig. 4 bis 6 geeignet ist, ist ein mit 30 Gew.-% Glas verstärktes, Hitze beständiges aliphatisches Polyamid, welches durch Polykondensation von 1,4%igen Diaminobutan und Adipinsäure gebildet ist. Ein solcher verstärkter Kunststoff ist Stanyl® (PA46), hergestellt durch die DSM Engineering Plastics. Stanyl® hat eine hohe Hitzebeständigkeit von etwa 290 Grad Celsius und ist somit besonders geeignet für Hochtemperatur-Anwendungen wie beispielsweise in Antriebssystemen. Die Verbindungswellenhalterung 24 ist vorzugsweise in zwei Teilen ausgeführt und durch Injektion von Stanyl® in eine Spritzform bei etwa 300 bis 325 Grad Celsius und bei einem Eingangsdruck von etwa 700 bis 1100 bar hergestellt. Die Schmelztemperatur wird zwischen 60 und 120 Grad Celsius beibehalten und die Einwirkzeit beträgt weniger als sechs Minuten. Der fertige obere Bereich 50 und der untere Bereich 52 der Verbindungswellenhalterung 24 werden dann entnommen und gekühlt. Die Befestigungsbolzen 42 können in einem nachgeschalteten Prozessschritt hinzugefügt werden oder sie können bereits in der Form in das Kunststoffmaterial eingebettet werden.
Die Stanyl-Verbindungswellenhalterung 24 mit der 30-prozentigen Glasfaserverstärkung erlaubt maximale zu Belastungen von 21 MPA und eine maximale Verformbarkeit von 0,9 Millimeter und eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 220 Grad Celsius. Weiterhin hat eine Modalanalyse ergeben, dass die Eigenfrequenz ein Minimum von 1800 Hertz in der ersten Ordnung beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine High-Flow- Version des Stanyl® (46HF5040) in einer Spritzgussmaschine mit einem 22 Millimeter Schraubendurchmesser genutzt, die folgendes Temperaturprofil vom Eingabetrichter bis zum Ausgießer aufweist: 295-305-315-315-315 Grad Celsius (oder 325-330 Grad Celsius in der Press/Ausstoßzone), mit einem spezifischen Druck in der Form von 25 bar, einer Umdrehungszahl von 340 U/m, einer Einspritzgeschwindigkeit von max. 100 mm/s und einem spezifischen Haltedruck von weniger als 350 bar. Die Temperatur der Form wird zwischen 80 und 120 Grad Celsius beibehalten.
Die Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung 24 der vorliegenden Erfindung ist in vielfacher Hinsicht vorteilhaft gegenüber den bekannten Verbindungswellenhalterungen aus Eisen. Die Verbindungswellenhalterung 24 reduziert Vibrationen und Geräusche. Die Verbindungswellenhalterung 24 verringert weiterhin das Gewicht und kann somit zu einer verbesserten Kraftstoff-Ökonomie beitragen. Weiterhin benötigt die Verbindungswellenhalterung 24 aus Verbundwerkstoff kein teures Herstellungsverfahren, so wie es bei den bekannten Verbindungswellenhalterung aus Eisen der Fall ist, wodurch Einsparungen bei den Herstellungskosten erreichbar sind. Schließlich kann die Materialauswahl und/oder die Herstellung des oberen und des unteren Bereiches 50, 52 je nach der Größe des Fahrzeugs 8 angepasst werden, um das gewünschte Resultat zu erreichen. Beispielsweise kann der Anteil der Faserverstärkung, die Polymerart oder die Anzahl an Befestigungsvorrichtungen verändert werden, sowie es bekannt ist, die Festigkeit oder die Temperaturbeständigkeit der Verbindungswellenhalterung 24 zu verbessern.
Der obere Bereich 50 aus Verbundwerkstoff weist eine Mehrzahl erhöhter gerippter Bereiche zur Verstärkung der Festigkeit.
Obwohl die Erfindung auf Basis eines bestimmten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf dieses nicht beschränkt ist. Änderungen durch den Fachmann, insbesondere im Bereich des Standes der Technik sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Beispielsweise kann der untere Bereich 52 der Verbindungswellenhalterung 24 in seiner endgültigen Form aus einem schichtförmigen Material geprägt und mit dem oberen Bereich 52 verbunden werden. Dies würde die Einsparung von Herstellungskosten ermöglichen, aber potentiell auf Kosten der Reduzierung der Vibrationen und des Geräuschs gehen.

Claims

1. Antriebssystem (10) für ein Fahrzeug (8), aufweisend
ein Differenzialgetriebe (12), welches exzentrisch zur Fahrzeuglängsachse angeordnet ist,
ein erstes Innenlager (18), das mit einer Seite des Differentialgetriebes (12) verbunden ist,
eine ersten Achswelle (14), die mit dem ersten Innenlager (18) und einem ersten Außenlager (16) verbunden ist,
eine Verbindungswelle (20), die mit dem Differentialgetriebe (12) und einem zweiten Innenlager (18) verbunden ist,
eine zweite Achswelle, die lenk mit dem zweiten Innenlager (18) und einem zweiten Außenlager (16) verbunden ist,
ein Lager (22) zur Halterung der Verbindungswelle (20), und
eine Verbundwerkstoff-Verbindungwellenhalterung (20) zur Halterung des Lager (22).

2. Antriebssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) einen oberen Bereich (50) und ein unteren Bereich (52) aufweist, wobei der obere Bereich (50) und der unteren Bereich (52) dann, wenn sie miteinander verbunden sind, das Lager (22) umgeben und halten.

3. Antriebssystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich (50) eine Vielzahl an Befestigungslöchern, eine Vielzahl erhöhter gerippter Bereiche, ein Paar befestigter Befestigungsbolzen (42) und einen sphärischen Bereich (30) aufweist.

4. Antriebssystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich (50) der Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) mit Hilfe der Befestigungslöcher an einem Motorblock oder Gitterrahmen (27) des Fahrzeugs (8) befestigbar ist.

5. Antriebssystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich (52) einen sphärischen Bereich (60) und Öffnungen (64) aufweist, die mit den Befestigungsbolzen (42) des oberen Bereiches (50) derart zusammenwirken können, dass die beiden Bereiche (50, 52) miteinander verbindbar sind.

6. Antriebssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich (50) der Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) aus einem Polymermaterial hergestellt ist, dass der Temperaturbeständigkeit gegenüber Verformung bis mindestens 180 Grad Celsius aufweist.

7. Antriebssystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich (52) der Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) aus einem Material aus der Gruppe Polymermateriale und Metalle gebildet ist.

8. Antriebssystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial eine Faserverstärkung aufweist, die aus temperaturbeständigem aliphatischem Polyamid besteht.

9. Antriebssystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial Stanyl® einem Anteil an Glasfaserverstärkung von 30 Prozent aufweist.

10. Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) zur Halterung eines Lager (22), das eine Verbindungswelle (20) eines Antriebssystems (10) eines Fahrzeugs (8) hält, aufweisend:
einen oberen Bereich (50) aus Verbundwerkstoff (24) mit einer Vielzahl an Befestigungslöchern, einem Paar befestigter Befestigungsbolzen (42), und einem oberen sphärischen Bereich (30), sowie
einen unteren Bereich (52), der mit dem oberen Bereich (50) verbindbar ist, wobei der untere Bereich (52) einen unteren sphärischen Bereich, ein Paar Öffnungen (64), die mit den Befestigungsbolzen (42) des oberen Bereichs (50) derart zusammenwirken, dass der obere Bereich (50) mit dem unteren Bereich (52) verbindbar ist, um das Lager (22) zu umgeben und zu halten.

11. Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich (50) aus Verbundwerkstoff (24) aus einem Polymermaterial geformt ist, dass eine Temperaturbeständigkeit gegenüber Verformung bis mindestens 180 Grad Celsius aufweist.

12. Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich (52) der Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) aus einem Material aus der Gruppe Polymermateriale und Metalle gebildet ist.

13. Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial eine Faserverstärkung aufweist, die aus temperaturbeständigem aliphatischem Polyamid besteht.

14. Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial Stanyl® einen Anteil an Glasfaserverstärkung von 30 Prozent aufweist.

15. Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich (50) aus Verbundwerkstoff eine Mehrzahl erhöhter gerippter Bereiche zur Verstärkung der Festigkeit aufweist.

16. Verfahren zur Verringerung von Gewicht in einem schräg angeordneten Antriebssystem (10), mit den Verfahrensschritten:
Bereitstellen einer Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) mit einem oberen Bereich (50) aus Verbundwerkstoff und einem unteren Bereich (52), wobei der obere Bereich (50) aus Verbundwerkstoff (24) eine Temperaturbeständigkeit gegenüber Verformung bis mindestens 180 Grad Celsius aufweist,
Verbinden des oberen Bereichs (50) aus Verbundwerkstoff (24) mit dem unteren Bereich (52) der Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) derart, dass die Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) ein Lager (22), das zur Halterung einer Verbindungswelle (24) in dem schräg angeordneten Antriebssystem (10) dient, umgibt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen einer Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) das Bereitstellen einer Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) mit einem oberen Bereich (50) aus einem mit 30% Glasfaser verstärktem Polyamid und einen unterem Bereich (52) beinhaltet, wobei der untere Bereich (52) aus der Gruppe bestehend aus 30% Glasfaser verstärktem Polyamid und geprägtem Metall ausgewählt wird, wobei der obere Bereich (50) aus einem mit 30% Glasfaser verstärkten Polyamid und der untere Bereich (52) eine Temperaturbeständigkeit gegenüber Verformung bis mindestens 180 Grad Celsius aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des oberen Bereiches (50) aus Verbundwerkstoff (24) mit dem unteren Bereich (52) das Verbinden von Befestigungsbolzen (42) des ober en Bereichs (50) aus Verbundwerkstoff mit Öffnungen (64) des unteren Bereichs (52) beinhaltet und dass die Verbundwerkstoff- Verbindungswellenhalterung (24) ein Lager (22) umgibt, dass zur Halterung der Verbindungswelle (24) in dem schräg angeordneten Antriebssystem (10) dient.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der Verbundwerkstoff-Verbindungswellenhalterung (24) mit einem Motorblock oder einem Gitterrahmen (27) ein Verbinden des oberen Bereichs (50) aus Verbundwerkstoff der Verbundwerkstoff- Verbindungswellenhalterung (24) mit Hilfe von Befestigungslöchern an dem Motorblock oder dem Gitterrahmen (27) beinhaltet.