DE19515180C2 - Gebaute Welle zur Kraftübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gebaute Welle zur Kraftübertragung nach dem Ober­ begriff des Hauptanspruchs.

Es ist bereits bekannt, eine gebaute Welle zur Kraftübertragung, insbesondere eine Gelenkwelle für ein Kraftfahrzeug, zur Drehmomentübertragung und zum Ab­ bau kinetischer Energie bei Verkürzung der Welle in Längsrichtung, zu verwenden. Damit die Verkürzung der Welle in Längsrichtung definiert möglich ist, besteht diese aus mindestens zwei Teilen, die gegeneinander verschiebbar sind. Beim Verschieben der beiden Teile gegeneinander wird kinetische Energie abgebaut. Die Verbindung der beiden Teile, ein Stutzen mit Längsverzahnung mit einem Rohrende mit zylindrischer Gegenfläche wird, wie in DE 3 92 079 A1 beschrieben, durch ein Verbindungselement haftschlüssig hergestellt. Eine solche Verbindung zur Drehmomentübertragung zwischen zwei Teilen kann für eine Rohrwelle aus Verbundwerkstoff durchaus sinnvoll sein. Sie hat jedoch allgemein den Nachteil, daß ein genau definiertes, reproduzierbares Verformungsverhalten bei Krafteinwirkung in Längsrichtung schwer zu verwirklichen ist.

Kraftübertragende Wellen, die zum Abbau kinetischer Energie bei Verkürzung ausgebildet sind, werden in DE 38 22 637 C2, DE 42 40 237 C2, DE 21 49 091 A1 und WO 87/05369 beschrieben.

Weitere drehmomentübertragende Wellenverbindungen beschreiben DE 37 18 410 A1, DE 32 23 004 A1 und DD 2 05 222.

Die darin beschriebenen Verbindungen zwischen den Wellenteilen sind teilweise sehr aufwendig aufgebaut oder nur unter großem Aufwand herzustellen.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gelenkwelle mit einem integrierten De­ formationselement aus einem bzw. verschiedenen Metallwerkstoffen bereitzu­ stellen, bei der das Deformationselement durch die Verbindung zweier Gelenk­ wellenteile gebildet wird, wobei sich die beiden Teile einfach zusammenfügen lassen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilen durch einen Umformprozeß erzeugt wird, bei dem Materialfluß bei mindestens einem der beiden Teile stattfindet. Dabei befindet sich an jedem der beiden formschlüssig miteinander in Eingriff zu bringenden Teile eine Ver­ zahnung bzw. Gegenverzahnung, bevor die formschlüssige Verbindung der beiden Teile durch das Herstellungsverfahren erzeugt wird und Verzahnung und Gegen­ verzahnung sind zur gemeinsamen Längsachse beider Teile geneigt gerichtet. Dadurch lassen sich die beiden Teile leichter zusammenfügen, da der Weg, den diese reibungsbehaftet gegeneinander zurücklegen, durch die Neigung der Ver­ zahnung verkürzt ist. Außerdem kann die Neigung vorteilhafterweise so gewählt werden, daß beim Zusammenschieben der beiden Teile durch Aufweiten eines Teiles Energie definiert vernichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, daß Ver­ zahnung und Gegenverzahnung zueinander im Übermaß ausgebildet werden können und damit nach dem Zusammenfügen der beiden Teile ein besonders paßgenauer und spielfreier Sitz erhalten wird. Die Herstellungsverfahren sind Fließpressen oder Kaltfließpressen. Werden die beiden Teile durch einen solchen Umformprozeß verbunden, hat das den zusätzlichen Vorteil, daß das Drehmoment von einem auf das andere Teil spielfrei übertragen wird und in Längsrichtung de­ finiert gleiche Verformungseigenschaften aller Gelenkwellen bei Serienproduktion erreicht werden. Beim Zusammenfügen der Teile wird eine höhere Genauigkeit in Rundlauf und Koaxialität erhalten und die Reduzierung der Materialfestigkeit durch irgendeine Art der Wärmeeinbringung wird vermieden. Der Prozeß des Zusammen­ fügens der beiden Teile ist einfach. Dabei können kostengünstige Materialen oder Rohlinge verwendet werden. Die Einstellung eines gewünschten Kraftverlaufes beim Verkürzen der Welle in Längsrichtung ist in der Serienproduktion genauer möglich durch die Verzahnung und das darin eingeformte Rohr, zum Beispiel über verschiedene Durchmesserverhältnisse, Aufweitschrägen, Verzahnungsgeo­ metrien, Verzahnungslängen, Zähnezahlen und Oberflächengeometrien.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung greifen Verzahnung und Gegenverzahnung der beiden Teile schwalbenschwanzartig ineinander. Das ergibt aufgrund der geometrischen Ausbildung der Schwalbenschwanzverzahnung und der daraus resultierenden Kraftverläufe bei Belastung eine sichere, spielfreie Verbindung.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind Verzahnung und Gegen­ verzahnung durch eine Schicht aus einem Gleitmittel oder einem Elastomer ge­ trennt. Dadurch kann ebenfalls vorteilhafterweise der gewünschte Kraftverlauf beim Zusammenschieben der beiden Teile eingestellt werden. Außerdem kann durch eine solche eingebrachte Schicht Kontaktkorrosion vermieden werden. Ein Elastomer dämpft zusätzlich noch die Körperschallübertragung.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist in der Verzahnung und/oder Gegenverzahnung mindestens eine axial gerichtete Einformung und/oder am Umfang verlaufende Nut bzw. Auswölbung ausgebildet. Dadurch kann eben­ falls der Kraftverlauf beim Zusammenschieben der beiden Teile vorteilhafterweise eingestellt werden, wobei die Einformungen in der Verzahnung noch zusätzlich die Drehmomentübertragungsfähigkeit erhöhen.

Durch Schneiden und/oder Verdrängungskörper an einem oder an beiden Teilen, die so angebracht sind, daß sie bei Verkürzung der Welle in Längsrichtung durch Abscheren und/oder Verformung kinetische Energie abbauen, kann die Kraft­ einleitung auf an die gebaute Welle angrenzende Teile gering gehalten werden.

Die Energie wird durch Aufschneiden oder Umformen eines oder beider Teile ab­ gebaut. So ist zum Beispiel möglich, daß bei angrenzenden Teilen, wie Wellen­ lagern etc., nur geringe oder keine Schädigungen auftreten. Durch Anzahl, An­ ordnung und Geometrien dieser Schneiden und/oder Verdrängungskörper kann der gewünschte Kraftverlauf ebenfalls mit eingestellt werden, dabei schneidet die Verzahnung ähnlich einem Räumprozeß in eines oder beide Teile ein.

Ist ein Teil ein Aluminiumrohr oder mit einem Aluminiumrohr fest verbunden, hat das den Vorteil, daß die Gelenkwelle gewichtsmäßig leichter optimiert werden kann. Es kann ein partikelverstärktes Aluminiumrohr guter Torsionsfestigkeit für die Gelenkwelle verwendet werden, das, weil nicht verformbar, durch Schweißen mit dem einen oder anderen Teil mit Verzahnung oder Gegenverzahnung verbunden ist. Vorteilhafterweise können aber nicht nur sprödere Werkstoffe verwendet werden, sondern es werden durch die Verwendung glatter Rohre auch bessere Rundläufe erzielt. Da keine Wärmebehandlung nötig ist, ist die Beeinflussung der Werkstoffkennwerte in der Serienproduktion geringer.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, bildet die Verbindung zwischen dem anderen Teil und dem Aluminiumrohr einen Wulst, der von dem einen Teil beim Zusammenschieben verformt oder abgeschert wird. Der Wulst, der beim Herstellen der Verbindung zwischen dem anderen Teil und dem Aluminumrohr entsteht, kann vorteilhafterweise als Verdrängungskörper ge­ nutzt werden. Er kann auch beim Zusammenschieben der beiden Teile durch eine Schneide am einen Teil abgeschert werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Be­ schreibung und der zugehörigen Zeichnung näher dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Teillängsschnitt durch eine Gelenkwelle in dem Bereich, in dem die formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilen zur Drehmomentübertragung und zum Abbau kinetischer Energie bei Verkürzung der Welle in Längsrichtung liegt,

Fig. 2 zeigt einen Teilquerschnitt durch eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilen zur Drehmomentübertragung,

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des einen Teiles der gebauten Welle mit axial gerichteten Einformungen und am Umfang ver­ laufender Nut,

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt des mit A gekennzeichneten Bereiches aus Fig. 3 als Teillängsschnitt mit zusätzlicher Darstellung einer Schneide,

Fig. 5 zeigt einen Teilquerschnitt eines Bereichs aus Fig. 4 nach dem Zu­ sammenschieben der beiden Teile,

Fig. 6 zeigt den selben Bereich wie Fig. 4, zusätzlich mit einem Ver­ drängungskörper,

Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt des Bereiches A nach dem Zusammen­ schieben der beiden Teile aus Fig. 6,

Fig. 8 zeigt entsprechend Fig. 1 eine andere Ausführungsform einer Ge­ lenkwelle, wobei die obere Hälfte des Teillängsschnitts die Ge­ lenkwelle vor dem Abbau kinetischer Energie durch Verkürzung der Welle in Längsrichtung zeigt und die untere Hälfte die verformte, verkürzte Gelenkwelle und

Fig. 9 zeigt entsprechend Fig. 2 einen Teilquerschnitt entlang der Linie AB aus Fig. 8.

Nach Fig. 1 besteht eine gebaute Welle zur Kraftübertragung, insbesondere eine Gelenkwelle für ein Kraftfahrzeug, aus zwei Teilen mit gemeinsamer Längsachse 1. Das eine Teil ist ausgebildet als Anschlußstutzen 2 mit einer Verzahnung 3 an seinem Umfang. Ein Aluminiumrohr 4 ist durch eine Schweißnaht 5 mit einem an­ deren Teil fest verbunden, das als Muffe 6 ausgebildet ist. Diese Muffe 6 bildet mit dem Anschlußstutzen 2 über eine Gegenverzahnung 7 eine formschlüssige Ver­ bindung zur Drehmomentübertragung und zum Abbau kinetischer Energie bei Ver­ kürzung der Welle in Längsrichtung.

Dabei wird eines der Herstellungsverfahren Fließpressen oder Kaltfließpressen zum Verbinden der Muffe 6 mit dem An­ schlußstutzen 2 verwendet. Beim Fließpressen oder Kaltfließpressen können so­ wohl die Muffe 6 als auch der Anschlußstutzen 2 vor dem Zusammenfügen der beiden Teile bereits eine ausgebildete Verzahnung 3 und Gegenverzahnung 7 aufweisen.

Verzahnung 3 und Gegenverzahnung 7 von Anschlußstutzen 2 und Muffe 6 sind zur gemeinsamen Längsachse 1 um den Winkel α geneigt gerichtet. Die Schweiß­ naht 5 zwischen dem Aluminiumrohr 4 und der Muffe 6 bildet einen Wulst 8, der beim Zusammenschieben von Muffe 6 und Anschlußstutzen 2 erst verformt und dann abgeschert wird.

Fig. 2 zeigt eine bekannte durch Magnet- oder Hydroumformung hergestellte form­ schlüssige Verbindung von Anschlußstutzen 2 mit Muffe 6. Durch das Umform­ verfahren bedingt, hat sich die ursprünglich rohrförmige Muffe 6 in die schwalben­ schwanzförmige Kontur der Verzahnung 3 des Anschlußstutzens 2 eingeprägt. Zwischen Anschlußstutzen 2 und Muffe 6 befindet sich eine elastomere Schicht 9 zur Verhinderung der Übertragung von Körperschall.

Fig. 3 zeigt einen Anschlußstutzen 2 mit Verzahnung 3 und einer in diese Ver­ zahnung 3 eingeformten, am Umfang verlaufenden Nut 10. Desweiteren sind in der Verzahnung 3 axial gerichtete Einformungen 11 zur Erhöhung der Dreh­ momentübertragbarkeit angebracht. Die Fig. 4 bis 7 beziehen sich auf einen Ausschnitt in Fig. 3, der mit A gekennzeichnet ist.

Fig. 4 zeigt einen Teillängsschnitt eines Anschlußstutzens 2 mit einer Schneide 12. Die Muffe 6 bzw. das Aluminiumrohr 4, je nach Ausführung, sitzt in form­ schlüssiger Verbindung auf dem Anschlußstutzen 2.

In Fig. 5 ist dann ein Teilquerschnitt an der Stelle B-B aus Fig. 4 dargestellt, nach dem Zusammenschieben der Welle in Längsrichtung. Die Schneiden 12 am Anschlußstutzen 2 haben das Aluminiumrohr 4 bzw. die Muffe 6, je nach Aus­ führung der Gelenkwelle, am Umfang bereichsweise aufgeschnitten. Beim Zu­ sammenschieben der beiden Teile wurden dann die voneinander getrennten Um­ fangsbereiche des Aluminiumrohrs 4 bzw. der Muffe 6 durch die Schneiden 12, die gleichzeitig als Verdrängungskörper wirken, unter Abbau von Stoßenergie nach außen verdrängt.

Fig. 6 zeigt entsprechend Fig. 4 einen Anschlußstutzen 2 mit Aluminiumrohr 4 bzw. Muffe 6, Schneide 12 und einer anderen Art von Verdrängungskörper 13. Die Wirkung des Verdrängungskörpers 13 wird in Fig. 7 deutlich, die denselben Be­ reich der Gelenkwelle zeigt, nach dem Zusammenschieben von Anschlußstutzen 2 und Aluminiumrohr 4 bzw. Muffe 6. Beim Zusammenschieben wird das Alu­ miniumrohr 4 bzw. die Muffe 6 durch die Schneiden 12 über seinen Umfang in mehrere Bereiche aufgetrennt. Diese Umfangsteilbereiche des Aluminiumrohrs 4 bzw. der Muffe 6 werden bei weiterem Zusammenschieben des Anschlußstutzens 2 und des Aluminiumrohrs 4 bzw. der Muffe 6 durch die Verdrängungskörper 13 unter Umwandlung der Stoßenergie in Verformungsenergie auf einer vom Ver­ drängungskörper 13 vorgegebenen, etwa viertelkreisförmigen Bahn nach außen verdrängt.

In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform der Gelenkwelle entsprechend der Er­ findung dargestellt. Der Bereich über der Längsachse 1 zeigt eine in Längsrichtung nicht verformte Gelenkwelle mit Verzahnung 3 zwischen Anschlußstutzen 2 und Muffe 6. Ein Rohr 4 ist durch die Schweißnaht 5 mit der Muffe 6 fest verbunden. Das Drehmoment wird vom Anschlußstutzen 2 über Verzahnung 3 und Gegen­ verzahnung 7 auf die Muffe 6 übertragen. Der Teil der Gelenkwelle unterhalb der Längsachse 1 ist nach seinem Zusammenschieben in Längsrichtung zum Abbau kinetischer Energie dargestellt. Die Muffe 6 und teilweise das Rohr 4 sind im Durchmesser aufgeweitet, beim Hineinschieben des Anschlußstutzens 2 wurde dann auch noch der Wulst 8 abgeschert. Beim Aufweiten und Abscheren wird kinetische Energie abgebaut.

Fig. 9 zeigt die Verbindung von Anschlußstutzen 2 mit Muffe 6 über Verzahnung 3 und Gegenverzahnung 7, die durch Fließpressen oder Kaltfließpressen her­ gestellt ist. Die formschlüssige Verbindung ist in dieser Ausführung nicht hinter­ schnitten verzahnt.

Claims (7)

1. Gebaute Welle zur Kraftübertragung aus mindestens zwei Teilen mit ge­ meinsamer Längsachse (1), insbesondere Gelenkwelle für ein Kraftfahr­ zeug, bei der eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Teilen zur Drehmomentübertragung und zum Abbau kinetischer Energie bei Ver­ kürzung der Welle in Längsrichtung dient, wobei der Formschluß für die Verbindung durch eine Verzahnung (3) eines Teiles (2) mit einer Gegen­ verzahnung (7) eines anderen Teiles (6) gebildet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die formschlüssige Verbindung zwischen beiden Teilen (2, 6) durch eines der Herstellungsverfahren Fließpressen oder Kaltfließpressen erzeugt wird, wobei die Gegenverzahnung (7) an dem anderen Teil (6) zum Eingriff mit der Verzahnung (3) des einen Teils (2) bereits ausgebildet ist, bevor die formschlüssige Verbindung der beiden Teile (2, 6) durch das Herstellungsverfahren erzeugt wird und Verzahnung (3) und Gegen­ verzahnung (7) zur gemeinsamen Längsachse (1) beider Teile (2, 6) ge­ neigt gerichtet sind.

2. Gebaute Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ver­ zahnung (3) und Gegenverzahnung (7) schwalbenschwanzartig in­ einandergreifen.

3. Gebaute Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Verzahnung (3) und Gegenverzahnung (7) durch eine Schicht aus einem Gleitmittel oder einem Elastomer (9) getrennt sind.

4. Gebaute Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Verzahnung (3) und/oder Gegenverzahnung (7) mindestens eine axial gerichtete Einformung (11) und/oder am Um­ fang verlaufende Nut (10) bzw. Auswölbung ausgebildet ist.

5. Gebaute Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an einem oder an beiden Teilen (2, 6) Schneiden (12) und/oder Verdrängungskörper (13) so angebracht sind, daß sie bei Verkürzung der Welle in Längsrichtung durch Abscheren und/oder Verformung kinetische Energie abbauen.

6. Gebaute Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung zwischen dem anderen Teil (6) und dem Rohr (4) einen Wulst (8) bildet, der von dem einen Teil (2) beim Zusammenschieben verformt oder abgeschert wird.

7. Gebaute Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein Teil ein Aluminiumrohr (4) ist oder mit einem Aluminiumrohr (4) fest verbunden ist.