DE112007001768B4

DE112007001768B4 - Antriebswelle

Info

Publication number: DE112007001768B4
Application number: DE112007001768.6T
Authority: DE
Inventors: Christoph Rüegg
Original assignee: Xperion GmbH
Current assignee: Xperion GmbH
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2027-08-22
Also published as: DE112007001768A5; GB2454142A; GB0902844D0; GB2454142B; WO2008025177A1

Abstract

Aufprallenergie absorbierende Antriebswelle für Motorfahrzeuge, mit- einer zylindrischen Hohlwelle (10) aus faserverstärktem Kunststoff und- einem Krafteinleitungsanschluss (20) mit einem Anschlussflansch (22) und einem zylindrischen Abschnitt (21), dessen freies Ende mit einer achsparallelen Umfangsverzahnung (23) versehen und in das mit einer hülsenförmigen Abstützung (11) versehene Ende der Hohlwelle (10) eingepresst ist, wobei die Umfangsverzahnung in die Innenwand der Hohlwelle einschneidet und dadurch den zylindrischen Abschnitt und die Hohlwelle drehfest miteinander verbindet, und wobei der zylindrische Abschnitt (21) um eine Länge (S) aus der Hohlwelle (10) herausragt und bei einem Aufprall unter teilweiser Absorption der Aufprallenergie entgegen einer Widerstandskraft (F) um diese Länge axial in die Hohlwelle hineinverschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hohlwelle (10) axial anschließend an die Abstützung (11) eine zusätzliche Verstärkung (30; 31; 32; 33; 34) aus faserverstärktem Kunststoff angeordnet ist, welche sich in axialer Richtung über eine Länge erstreckt, die der Länge (S) entspricht, um welche der zylindrische Abschnitt (21) aus der Hohlwelle (10) herausragt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufprallenergie absorbierende Antriebswelle für Motorfahrzeuge gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Antriebswellen aus faserverstärktem Kunststoff werden vor allem wegen ihres gegenüber herkömmlichen Konstruktionen aus Metall deutlich geringeren Gewichts immer häufiger im Kraftfahrzeugbau eingesetzt. Anderseits wird immer häufiger gefordert, auch die Antriebswellen in die Sicherheitskonzepte mit einzubeziehen. Das heisst, im Falle eines Aufpralls des Fahrzeugs soll auch die Antriebswelle in der Lage sein, einen Teil der Aufprallenergie zu absorbieren.
Enegieabsorbierende Antriebswellen sind schon in verschiedenen Varianten bekannt Typische Vertreter solcher Antriebswellen sind z.B. in den Dokumenten EP 0 683 328 B1 und WO 2004/097233 A1 beschrieben. Die Energieabsorption erfolgt dabei durch axiale Stauchung der Antriebswelle unter zumindest teilweiser Zerstörung der faserverstärkten Kunststoffwelle. Diese bekannten Antriebswellen sind alle relativ kompliziert aufgebaut und dementsprechend schwierig oder zumindest nur mit relativ grossem Aufwand herstellbar.
Eine energieabsorbierende Antriebswelle der gattungsgemässen Art ist im Dokument DE 30 07 896 A1 beschrieben. Diese bekannte Antriebswelle ist zwar konstruktiv einfach und ohne grossen Aufwand herstellbar, ihre Energieabsorptionseigenschaften sind jedoch für die Praxis ungenügend. Bei einem Aufprall wird mindestens einer der beiden Krafteinleitungsanschlüsse axial in die faserverstärkte Kunststoffwelle hineingeschoben. Dabei entsteht anfänglich eine hohe Widerstandskraft, die jedoch bereits nach einem sehr kurzen Stauchweg wegen der dann erfolgenden Sprengung der faserverstärkten Welle praktisch verschwindet Das Energieaufnahmevermögen dieser Antriebswelle ist daher relativ gering und für die Praxis unzureichend.
Das Dokument US 2002/0032065 A1 offenbart eine Antriebswelle und ein Verfahren zum Herstellen der Antriebswelle. Die Antriebswelle umfasst einen Körper und eine Welle, die in einen Hohlraum des Körpers eingeführt ist. Die Welle ist mittels einer Pressfassung in dem Körper befestigt.
In dem Dokument DE 41 19 359 A1 ist eine Antriebswelle im Längsantriebsstrang eines Kraftfahrzeuges offenbart. Die Welle ist hinsichtlich einer Energieabsorption bei einem Zusammenstoß des Kraftfahrzeugs mit einem Hindernis optimiert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik soll durch die vorliegende Erfindung eine Antriebswelle der gattungsgemässen Art hinsichtlich ihres Energieabsorptionsvermögens verbessert werden, wobei die Antriebswelle aber gleichzeitig konstruktiv einfach bleiben und ohne grossen Aufwand herstellbar sein muss.
Die Lösung dieser der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen teilweisen Axialschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Antriebswelle,
2 einen Axialschnitt analog 1, jedoch in gestauchtem Zustand,
3-4 je einen Axialschnitt durch zwei weitere Ausführungsbeispiele
5 ein Diagramm der bei einer z. B. aufprallbedingten Stauchung der Antriebswelle auftretenden axialen Kräfte und
6-8 je einen Axialschnitt durch drei weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Antriebswelle.

Die dargestellte erfindungsgemässe Antriebswelle umfasst als zentrales Bauelement eine Hohlwelle 10 aus faserverstärktem Kunststoff und zwei Krafteinleitungsanschlüsse 20 aus Metall, die mit den beiden Enden der Hohlwelle 10 drehfest verbunden sind und zur Einkopplung bzw. Auskopplung des Drehmoments dienen. In der Zeichnung ist nur einer der beiden Krafteinleitungsanschlüsse dargestellt.
Der Krafteinleitungsanschluss 20 besteht aus einem zylindrischen Abschnitt 21 in Form eines Rohrs oder Zapfens und einem Anschlussflansch 22. Der hier als Rohr ausgebildete zylindrische Abschnitt 21 ist an seinem freien Ende mit einer achsparallelen Umfangsverzahnung 23 versehen, wobei deren äusserer Durchmesser etwas grösser ist als der Innendurchmesser der Hohlwelle 10. Der zylindrische Abschnitt 21 ist mit dem die Umfangsverzahnung 23 aufweisenden Ende in das Ende der Hohlwelle 10 axial eingepresst, wobei die Umfangsverzahnung 23 geringfügig in die Innenwand der Hohlwelle 10 einschneidet und dadurch eine drehfeste Verbindung zwischen dem zylindrischen Abschnitt 21 und der Hohlwelle 10 ergibt. Aussen auf der Hohlwelle 10 ist im Bereich der Umfangsverzahnung 23 des Abschnitts 21 eine hülsenförmige Abstützung 11 angebracht, welche verhindert, dass sich das Ende der Hohlwelle 10 ausweitet und dadurch die drehfeste Verbindung verloren geht.
Der zylindrische Abschnitt 21 ragt um eine Länge S aus der Hohlwelle 10 heraus. Die Länge S entspricht dem Abstand zwischen der Hohlwelle 10 und dem Anschlussflansch 22.
Soweit entspricht die dargestellte erfindungsgemässe Antriebswelle den z.B. aus dem Dokument DE 30 07 896 A1 bekannten Antriebswellen. Im diesem Dokument sowie z.B. auch den beiden anderen einleitend angeführten Dokumenten sind alle relevanten Angaben zu Materialien, Herstellungsverfahren, Dimensionierungen etc. zu finden, so dass der Fachmann diesbezüglich keiner weiteren Erläuterungen bedarf. Es versteht sich, dass gegebenenfalls auch nur ein Krafteinleitungsanschluss der beschriebenen Art vorgesehen sein kann.
Wenn das Fahrzeug, in welches die Antriebswelle eingebaut ist, einen Aufprall erleidet, können die dabei auftretenden Kräfte unter Umständen auch auf die Antriebswelle einwirken. Die erfindungsgemässe Antriebswelle ist in axialer Richtung stauchbar und kann dabei einen Teil der Aufprallenergie absorbieren. Wenn eine durch einen Aufprall verursachte Axialkraft auf den Krafteinleitangsanschluss 20 einwirkt und dabei eine gewisse Schwelle überschreitet, dann wird der zylindrische Abschnitt 21 in die Hohlwelle 10 hineingepresst, bis im Extremfall der Anschlussflansch 22 an der Hohlwelle 10 ansteht. Dieser axialen Verschiebung des zylindrischen Abschnitts 21 bzw. des ganzen Krafteinleitungsanschlusses 20 steht eine Widerstandskraft F entgegen, die sich im Wesentlichen aus der Reibung des zylindrischen Abschnitts 21 an der Innenwand der Hohlwelle 10 ergibt Die Umfangsverzahnung 23 des Abschnitts 21 pflügt sich dabei gewissermassen durch die Innenwand der Hohlwelle 10. Das Integral der Widerstandskraft F über den Verschiebungsweg s entspricht der absorbierten Aufprallenergie (5).
Bei der aus dem Dokument DE 30 07 896 A1 bekannten Antriebswelle ist die absorbierte Aufprallenergie relativ gering. Es entsteht anfänglich zwar eine relativ hohe Widerstandskraft, diese lässt aber schon nach kurzem Verschiebeweg stark nach, weil dann die Hohlwelle gesprengt wird. Hier setzt die Erfindung an.
Gemäss einem Hauptaspekt der Erfindung wird die Länge S des aus der Hohlwelle 10 herausragenden Teils des zylindrischen Abschnitts 21 und damit der maximale Verschiebungsweg des Krafteinleitungsanschlusses 20 mindestens 50-150 mm, vorzugsweise rund 80-100 mm gewählt. Ferner ist axial anschliessend an die Abstützung 11 aussen auf der Hohlwelle 10 eine zusätzliche Verstärkung 30 angebracht, die sich über eine Länge erstreckt, welche im Wesentlichen etwa gleich gross ist wie die Länge S des aus der Hohlwelle 10 herausragenden Teils des zylindrischen Abschnitts 21. Die axiale Ausdehnung der zusätzlichen Verstärkung 30 entspricht also etwa dem maximalen Verschiebeweg des zylindrischen Abschnitts 21 bzw. des ganzen Krafteinleitungsanschlusses 20. Mittels dieser zusätzlichen (radialen) Verstärkung 30 für die Hohlwelle 10 kann der Verlauf der auftretenden Widerstandskraft F über den Verschiebungsweg s so beeinflusst werden, dass die absorbierte Aufprallenergie drastisch erhöht wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Widerstandskraft F über den gesamten Verschiebungsweg s von mindestens 50-150 mm nicht unter eine gewisse Minimalschwelle von z.B. 40-60 kN sinkt, wie dies im Diagramm der 5 veranschaulicht ist. Die Kurve 40 zeigt einen typischen Verlauf der Widerstandskraft.
Es versteht sich, dass die Widerstandskraft F und deren Verlauf über den Verschiebungsweg s durch geeignete Ausbildung, Bemessung und axiale Verteilung der Festigkeitseigenschaften der zusätzlichen Verstärkung 30 in weiten Grenzen beeinflusst werden kann. Die für die jeweilige Anwendung optimale Konfiguration kann durch wenige Versuche empirisch ermittelt werden, der Fachmann bedarf diesbezüglich keiner näheren Erläuterungen.
Zweckmässig ist es, wenn die zusätzliche Verstärkung 30 eine etwas geringere radiale Steifigkeit aufweist als die Abstützung 11 am Ende der Hohlwelle 10. Die zusätzliche Verstärkung 30 kann aus faserverstärktem Kunststoff bestehen. Wenn die Verstärkung 30 in einem von der Herstellung der Hohlwelle 10 gesonderten Arbeitsgang auf diese aufgebracht wird, dann ist es möglich, für die Hohlwelle 10 kostengünstige Meterware zu verwenden.
Die anfängliche Widerstandskraft F sollte nicht zu hoch sein. Praktische Werte liegen bei etwa 80-120 kN. Dies wird durch geeignete Bemessung der Hohlwelle 10 und ihrer Abstützung 11 erreicht.
Anstelle der in den 1 und 2 dargestellten rohrförmigen Ausbildung der zusätzlichen Verstärkung 30 kann diese auch aus einzelnen Ringen 31 aus faserverstärktem Kunststoff bestehen (3). Alternativ können z.B. auch Drahtringe 32 eingesetzt werden, wie dies in 4 dargestellt ist. Die Drähte können dabei aus faserverstärktem Kunststoff bestehen (z.B. ein mit einem Thermoplast gebundenes Faserbündel).
Für die zusätzliche Verstärkung 30 bzw. 31 bzw. 32 können auch vorgefertigte Teile verwendet werden, die auf der fertigen Hohlwelle 10 durch Kleben, Aufpressen oder Aufschrumpfen montiert werden.
Wie die 6 zeigt, ist es auch möglich, die Funktionen der Abstützung 11 und der zusätzlichen Verstärkung durch ein einstückiges Bauelement zu realisieren, das in der 6 mit 33 bezeichnet ist. Dieses Bauelement kann auch in der Dicke abgestuft ausgeführt sein, wie dies die 7 illustriert. Das Bauelement ist dort mit 34 bezeichnet. Dies erlaubt durch geeignete Bemessung die Einstellung auf wünschenswerte Energieaufnahmewerte über den Verschiebeweg des Abschnitts 21.
Ferner ist es auch möglich, die zusätzliche Verstärkung 33 nicht außen, sondern im Inneren der Hohlwelle 10 anzuordnen. Diese Ausführungsvariante ist in 8 dargestellt. In der Praxis wird dabei die Hohlwelle 10 über die Verstärkung 33 gewickelt oder bei einer separaten Herstellung mit dieser verklebt. Auch hier übernimmt die Verstärkung 33 gleichzeitig auch die Funktion der Abstützung 11.
Schliesslich ist es auch möglich, den Krafteinleitungsanschluss ganz oder teilweise ebenfalls aus insbesondere faserverstärktem Kunststoff herzustellen.
Die erfindungsgemässe Antriebswelle zeichnet sich durch ein hohes Energieabsorptionsvermögen aus und ist gleichzeitig verhältnismässig sehr einfach und kostengünstig herstellbar.

Claims

Aufprallenergie absorbierende Antriebswelle für Motorfahrzeuge, mit - einer zylindrischen Hohlwelle (10) aus faserverstärktem Kunststoff und - einem Krafteinleitungsanschluss (20) mit einem Anschlussflansch (22) und einem zylindrischen Abschnitt (21), dessen freies Ende mit einer achsparallelen Umfangsverzahnung (23) versehen und in das mit einer hülsenförmigen Abstützung (11) versehene Ende der Hohlwelle (10) eingepresst ist, wobei die Umfangsverzahnung in die Innenwand der Hohlwelle einschneidet und dadurch den zylindrischen Abschnitt und die Hohlwelle drehfest miteinander verbindet, und wobei der zylindrische Abschnitt (21) um eine Länge (S) aus der Hohlwelle (10) herausragt und bei einem Aufprall unter teilweiser Absorption der Aufprallenergie entgegen einer Widerstandskraft (F) um diese Länge axial in die Hohlwelle hineinverschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hohlwelle (10) axial anschließend an die Abstützung (11) eine zusätzliche Verstärkung (30; 31; 32; 33; 34) aus faserverstärktem Kunststoff angeordnet ist, welche sich in axialer Richtung über eine Länge erstreckt, die der Länge (S) entspricht, um welche der zylindrische Abschnitt (21) aus der Hohlwelle (10) herausragt.
Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (S), um welche der zylindrische Abschnitt (21) des Krafteinleitungsanschlusses (20) aus der faserverstärkten Hohlwelle (10) herausragt, mindestens 50-150 mm beträgt.
Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (S), um welche der zylindrische Abschnitt (21) des Krafteinleitungsanschlusses (20) aus der faserverstärkten Hohlwelle (10) herausragt, mindestens 80-100 mm beträgt.
Antriebswelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der zusätzlichen Verstärkung (30; 31; 32; 33; 34) gleich oder weniger groß ist als die Steifigkeit der Abstützung (11) im Bereich der Umfangsverzahnung (23).
Antriebswelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Verstärkung (30; 31; 32) aus einem gegenüber der Abstützung (11) im Bereich der Umfangsverzahnung (23) vergleichsweise elastischen Material besteht.
Antriebswelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Verstärkung aus einzelnen Ringen (31; 32) besteht.
Antriebswelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (32) durch Metall- oder faserverstärkte Kunststoffdrähte gebildet sind.
Antriebswelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Verstärkung (30; 31; 32; 33; 34) so bemessen ist, dass die axiale Widerstandskraft (F) über den gesamten Verschiebungsweg (s) des zylindrischen Abschnitts (21) nicht unter 40-60 kN sinkt.
Antriebswelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (10) mit ihrer Abstützung (11) und die zusätzliche Verstärkung (30; 31; 32; 33; 34) so bemessen sind, dass die axiale Widerstandskraft (F) nicht über 100-120 kN steigt.