DE19525271A1 - Antriebswelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle oder Kreuzgelenkwelle im Antrieb eines Kraftfahrzeuges, mit mindestens drei Wellenteilen, welche mittels einer Verzahnung zumindest über einen Teilbereich koaxial ineinander einschiebbar sind, wobei die koaxial außenliegenden Wellenteile endseitig mit Anschlußelementen zur Drehmomentübertragung versehen sind.

Antriebswellen oder Kreuzgelenkwellen dienen zur Über­ tragung von Drehmomenten im Antriebsstrang von Land-, Baumaschinen oder Kraftfahrzeugen von einem Antriebs­ motor bzw. einem zwischengeschalteten Getriebe zu den einzelnen Antriebsrädern, wobei es sich um zwei- und vierradgetriebene Fahrzeuge handeln kann. Kreuzgelenk­ wellen werden hierbei insbesondere im Längsantriebs­ strang zur Drehmomentübertragung zwischen dem Getriebe und dem Hinterachsdifferential eingesetzt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung zwischen dem Hinterachsdifferential und den anzutreibenden Rädern. Die Übertragung der Drehmomente auf die zu treibenden nachfolgenden Komponenten, beispielsweise dem Hinter­ achsdifferential, erfolgt hierbei über Anschlußelemente, welche aus einer Längsverzahnung oder Gelenkgabeln eines Kardangelenkes bestehen können. Die Antriebswellen und Anschlußelemente sowie die weiteren Gelenkkomponenten und ggfs. die weiteren Aggregate im Antriebsstrang sind einer hohen Beanspruchung und Torsionsbelastung und damit einem erhöhten Verschleiß unterworfen. Die hohe Belastung wird einerseits durch das zu übertragende Drehmoment und andererseits durch einen schnellen Lastwechsel verursacht, wie er beispielsweise durch einen Schaltvorgang des Getriebes oder einen Bremsvor­ gang ausgelöst wird. Durch einen Gangwechsel sowohl bei Schalt- als auch bei Automatikgetrieben oder aber auch bei Fehlzündungen, entstehen somit plötzliche Dreh­ momentunterschiede, welche zu einer extremen Belastung der Gelenkgabeln führen und einen erhöhten Verschleiß verursachen. Desweiteren werden unerwünschte Stöße durch Fahrbahnunebenheiten auf das gesamte Fahrzeug und damit auch auf den Motor und die nachgeschalteten Antriebswel­ len übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebs­ welle zu schaffen, welche eine Reduzierung des Verschleißes und eine Verbesserung des Fahrkomforts ermöglicht.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, daß das mittlere Wellenteil gegenüber den beiden äußeren Wellenteilen über die Verzahnung axial beweglich angeordnet ist, wobei das mittlere Wellenteil mit zumin­ destens einem äußeren Wellenteil über mindestens ein Dämpfungselement in Wirkverbindung steht.

Durch die Anordnung eines Dämpfungselementes zwischen mindestens zwei Wellenteilen besteht die Möglichkeit, die auftretenden Stöße bei einem Lastwechsel abzufedern und eine Übertragung auf die Anschlußelemente, bei­ spielsweise die Gelenkgabeln eines Kreuzgelenkes soweit zu mindern, daß ein wesentlich geringerer Verschleiß an den Kreuzgelenken auftritt, wobei gleichzeitig durch die dämpfende Wirkung ein verbesserter Fahrkomfort erzielt wird. Das zu übertragende Drehmoment vom Motor und Getriebe wird somit bei einem Schaltvorgang gedämpft über die Antriebswelle auf die anzutreibenden Räder weitergeleitet, wodurch eine wesentlich größere Laufruhe bei einem Lastwechsel bzw. einem kurzfristig auftreten­ den Drehmomentunterschied zwischen der Antriebsseite und der Abtriebsseite erzielt wird.

Um einen Austausch bereits fest eingebauter Antriebs­ wellen zu ermöglichen und die Notwendigkeit weiterer Umbaumaßnahmen innerhalb des Fahrzeuges zu vermeiden, ist vorgesehen, daß die axiale Baulänge der drei Wellen­ teile gleichbleibend ist, so daß ein einfacher Austausch vorgenommen werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verzahnung zwischen einem ersten und dem mittle­ ren Wellenteil eine Schrägverzahnung ist und die Ver­ zahnung zwischen einem dritten und dem mittleren Wellen­ teil eine Längsverzahnung ist, wobei das jeweils innen­ liegende Wellenteil eine entsprechende Außen­ profilierung und das koaxial jeweils außenliegende Wel­ lenteil eine korrespondierende Innenprofilierung auf­ weist.

Die Schrägverzahnung zwischen zwei Wellenteilen in Ver­ bindung mit einem Dämpfungselement, welches erst bei einem Drehmomentunterschied wirksam wird, führt dazu, daß es bei kurzzeitigen Drehmomentunterschieden zu einer Verdrehung der beiden über die Schrägverzahnung mitein­ ander verbundenen Wellenteile kommt, wobei durch die Relativverdrehung zweier Wellenteile und einer gleich­ zeitigen axialen Verschiebung des mittleren Wellenteils die auftretenden Lastschwankungen dämpfend abgefangen werden, wie sie beispielsweise bei einem Gangwechsel oder sonstigen Störungen auftreten können. Gleichzeitig wird durch die Längsverzahnung des mittleren und dritten Wellenteils ein Längenausgleich ermöglicht, so daß die axiale Baulänge der Antriebswelle immer konstant gehalten werden kann. Im Normalfall wird durch die vorgewählte Vorspannung des Dämpfungselementes eine Verdrehung der beiden Wellenteile mit Schrägverzahnung gegeneinander verhindert, nur bei dem kurzzeitig auftre­ tenden Lastwechsel mit einem Drehmomentunterschied wird das mit dem kraftgebenden Aggregat verbundene Wellenteil über die Schrägverzahnung gegenüber dem mittleren Wellenteil drehend und axial in beiden Drehrichtungen verschoben, so daß kurzzeitig auftretende Drehmoment­ unterschiede nur verzögert und gedämpft über die Längs­ verzahnung an das dritte Wellenteil weitergegeben werden. Nach Beendigung des Lastwechsels bzw. einer normalen Drehmomentübertragung wird das mittlere Wellenteil in seine Arbeitsposition zurück verschoben.

In einer ersten Ausführungsform des Dämpfungselementes wird vorgeschlagen, daß zwischen einem ersten und dem mittleren Wellenteil und/oder einem dritten und dem mit mittleren Wellenteil ein Dämpfungselement in Form eines Federelementes angeordnet und mit den Wellenteilen ver­ bunden ist, wobei die beiden Wellenteile durch das Federelement in einer ein Drehmoment übertragenden Position in mindestens einer Drehrichtung gehalten ist.

Alternativ besteht in einer weiteren Ausführungsform die Möglichkeit, daß zwischen einem ersten und dem mittleren Wellenteil und/oder einem dritten und dem mittleren Wel­ lenteil ein hydraulisches Dämpfungselement angeordnet und mit den Wellenteilen verbunden ist, wobei die beiden Wellenteile durch das Dämpfungselement in einer ein Drehmoment übertragenden Position in mindestens einer Drehrichtungen gehalten ist.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß ein Federelement mit einem äußeren und einem mittleren Teil einerseits und ein hydraulisches Dämp­ fungsglied mit dem gegenüberliegenden äußeren und mitt­ leren Teil andererseits verbunden ist.

In allen drei Ausführungsvarianten besteht die Möglich­ keit durch ein entsprechend ausgewähltes Dämpfungs­ element bei Überschreiten eines vorgegebenen Drehmoment­ unterschiedes zwischen der Antriebsseite und der Abtriebsseite eine dämpfende Wirkung auf die weiteren Antriebsteile zu erzielen, wodurch der Verschleiß gemindert und der Fahrkomfort verbessert werden kann.

Das verwendete Federelement kann beispielsweise aus zwei koaxial angeordneten Federn bestehen, von denen eine auf Zug und eine auf Druck beanspruchbar ist und somit eine mittlere Position der beiden schrägverzahnten Wellen­ teile ermöglicht, oder das Federelement besteht aus einer koaxial angeordneten Feder, die zumindest in einer Hauptantriebsdrehrichtung beanspruchbar ist, wobei in der entgegengesetzten Antriebsdrehrichtung die Schräg­ verzahnung gegen einen Anschlag läuft und wobei in bei­ den Fällen die Federkonstante derart ausgewählt wird, daß das jeweilige Federelement erst bei Überschreiten eines bestimmten Drehmomentunterschiedes wirksam wird und ansonsten die Übertragung des normalerweise anlie­ genden Drehmomentes gewährleistet ist.

Anstelle eines Federelementes ist in einer weiteren Aus­ gestaltung der Erfindung ein hydraulisches Dämpfungs­ element vorgesehen, welches mit einer Flüssigkeit, bei­ spielsweise einem Öl, einer rheologischen, insbesondere elektrorheologischen, Flüssigkeit gefüllt ist.

Durch die Verwendung eines hydraulischen Dämpfungs­ elementes, welches entsprechend dem Verwendungszweck konzipiert werden kann und ebenfalls eine maximale Drehmomentübertragung ermöglicht, kann eine weich abge­ federte Dämpfung erfolgen, wobei die Möglichkeit der Verwendung eines Hydrauliköls, einer rheologischen Flüs­ sigkeit besteht, welche eine selbsttätige Dämpfung bewirken. Bei der Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit besteht zudem die Möglichkeit von außen gezielt die Dämpfungseigenschaften durch Anlegen einer Spannung und Veränderung der Viskosität zusätzlich zu beeinflussen. Die Eigenschaften des Federelementes können ebenfalls so gewählt werden, daß das Dämp­ fungsverhalten des Federelementes und/oder des hydrau­ lischen Dämpfungselementes von dem anliegenden Dreh­ moment abhängig ist.

Zur Herstellung einer besonders kostengünstigen Variante des Dämpfungselementes ist vorgesehen, daß das Dämp­ fungselement aus einem gummielastischen Material besteht.

Die vorgenannten Dämpfungselemente können wahlweise zwi­ schen einem ersten und dem mittleren Wellenteil und/oder dem dritten und dem mittleren Wellenteil angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit verschiedene Dämpfungselemente, beispielsweise ein Federelement mit einem hydraulischen Dämpfungselement miteinander zu kombinieren, so daß eine besonders abgestimmte Dämpfung erzielt werden kann und ein möglicherweise auftretendes Eigenschwingungsverhalten unterdrückt wird.

Die Erfindung wird anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit vorderen und hinteren erfindungsgemäß ausgestatteten Antriebswellen und

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der Antriebswelle mit Gelenkgabeln.

In Fig. 1 ist ein Allrad getriebenes Kraftfahrzeug 1 systematisch dargestellt, welches über einen Frontmotor 2 mit einem Getriebe 3 und einem Vorderachsdifferential 4 die Vorderräder 5 über vordere Antriebswellen 6 antreibt. Das Antriebsdrehmoment für die Hinterräder wird vom Vorderachsdifferential 4 abgezweigt und über eine geteilte Längsantriebswelle 8, 9 einem Hinterachs­ differential 10 zugeführt. Das Hinterachsdifferential 10 treibt über hintere Antriebswellen 11 die Hinterräder 7 an. Die geteilte Längsantriebswelle 8, 9 und ggfs. die Antriebswellen 6, 11 können entsprechend der Erfindung ausgebildet sein.

Fig. 2 zeigt eine Antriebswelle 20, welche im wesent­ lichen aus einem ersten Wellenteil 21 und einem zweiten Wellenteil 22 sowie einem dritten Wellenteil 23 besteht. Das zweite oder auch mittlere Wellenteil 22 besteht aus einer Hülse 24, welche an ihren Enden mit Innenverzah­ nung ausgestattet ist. Das erste Ende 25 weist eine Schrägverzahnung 26 und das zweite Ende 27 weist eine Längsverzahnung 28 auf, in welche mit einer korrespon­ dierenden Verzahnung das erste und dritte Wellenteile 21, 23 eingreift. Das erste Wellenteil 21 weist zu diesem Zweck eine außenliegende Schrägverzahnung 29 auf, während das dritte Wellenteil 23 mit einer entsprechen­ den außenliegenden Längsverzahnung 30 ausgestattet ist. Wahlweise bestände die Möglichkeit, daß das mittlere Wellenteil 22 mit einer außenliegenden Schräg- und Längsverzahnung ausgestattet ist und die beiden Wellen­ teile 21, 23 korrespondierende Innenverzahnungen auf­ weisen. An die äußeren Wellenteile 21, 23 sind Anschluß­ elemente in Form von Gelenkgabeln 31 angeformt. Es ist jedoch denkbar, daß anstelle der Gelenkgabeln 31 eine Verzahnung oder eine Profilierung zur Übertragung des Drehmomentes gewählt wird.

Das mittlere Wellenteil 22 ist gegenüber den beiden ortsfest gehaltenen, aber drehbar gelagerten Wellentei­ len 21, 23 axial beweglich, wobei die axiale Position durch zwei Dämpfungselemente 32, 33 festgelegt ist. Das erste Dämpfungselement 32 besteht aus einer Feder 34, welche an einer Bodenfläche 35 des ersten Wellenteils 21 und einer Radialfläche 36 des mittleren Wellenteils 22 abgestützt und befestigt ist. Die Radialfläche 36 befin­ det sich in der axialen Mitte des mittleren Wellenteils 22. Das zweite Dämpfungselement 33 besteht aus einem Stoßdämpfer 37, welcher zwischen einer Bodenfläche 38 des dritten Wellenteils 23 und der gegenüberliegenden Seite der Radialfläche 36 angeordnet ist. Die Radialfläche 36 und die Bodenfläche 38 weisen jeweils eine zentrale Bohrung 39, 40 auf, durch welche hindurch die Enden des Stoßdämpfers 37 ragen und durch eine Mutter 41, 42 verschraubt sind.

Die dargestellte stoßabsorbierende Antriebswelle 20 weist einerseits ein Dämpfungselement 32 in Form einer Feder 34 und andererseits ein Dämpfungselement 33 in Form eines Stoßdämpfers 37 auf. Es ist jedoch denkbar, daß gleiche oder identische Dämpfungselemente wahlweise eingesetzt werden. Desweiteren besteht die Möglichkeit, anstelle des Stoßdämpfers 37 einen Dämpfer mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit einzusetzen, der von außen durch Anlegen einer Spannung und einer damit ver­ bundenen Änderung der Viskosität der elektrorheologi­ schen Flüssigkeit zu einem unterschiedlichen Dämpfungs­ verhalten führt.

Das erste Wellenteil 21 mit der Schrägverzahnung 29 wird in der Regel der Antriebsseite mit dem Getriebeausgang zugeordnet, während das Wellenteil 23 der Abtriebsseite zum Hinterachsdifferential zugeordnet wird. Die Feder 34 des ersten Dämpfungselementes 32 weist hierbei eine Federkonstante auf, die eine Übertragung eines maximalen Drehmomentes des Getriebes ermöglicht und nur bei einem kurzfristig hervorgerufenen Drehmomentunterschied wirk­ sam wird, wobei durch eine Relativverdrehung zwischen dem ersten 21 und dem mittleren Wellenteil 22 und einer gleichzeitigen axialen Verschiebung des mittleren Wellenteils 22 die auftretenden Lastschwankungen abge­ fangen werden, wie sie beispielsweise bei einem Gang­ wechsel auftreten können. Die axiale Verschiebung des mittleren Wellenteils 22 gegenüber dem ersten 21 und dritten Wellenteil 23 wird durch die Längsverzahnung 28, 30 ermöglicht, ohne das sich die Einbaulänge der Antriebswelle 20 verändert. Durch den Stoßdämpfer 37 bzw. eine anderes Dämpfungselement wird im weiteren ein mögliches Eigenschwingungsverhalten des mittleren Wellenteils 22 verhindert. Die Vorteile der Antriebs­ welle 20 bestehen in der Aufnahme der kurzzeitigen Drehmomentunterschiede, welche durch einen Lastwechsel oder sonstige Störungen verursacht werden. Bei einem Lastwechsel ist die Aufnahme der kurzzeitigen Dreh­ momentunterschiede durch die auf Zug und Druck bean­ spruchbare Feder 34 oder durch äquivalente Dämpfungs­ elemente in beiden Drehrichtungen der Antriebswelle 20 gewährleistet.

Alternativ besteht die Möglichkeit, daß das Dämpfungs­ element 32 nur in einer Hauptantriebsrichtung wirksam ist und in der entgegengesetzten Antriebsdrehrichtung die Schrägverzahnung 26, 29 gegen einen Anschlag läuft.

Bezugszeichenliste

1 Kraftfahrzeug
2 Frontmotor
3 Getriebe
4 Vorderachsdifferential
5 Vorderräder
6 Antriebswelle
7 Hinterräder
8 Längsantriebswelle
9 Längsantriebswelle
10 Hinterachsdifferential
11 Antriebswelle
20 Antriebswelle
21 erstes Wellenteil
22 zweites Wellenteil
23 drittes Wellenteil
24 Hülse
25 Ende
26 Schrägverzahnung
27 Ende
28 Längsverzahnung
29 Schrägverzahnung
30 Längsverzahnung
31 Gelenkgabel
32 Dämpfungselement
33 Dämpfungselement
34 Feder
35 Bodenfläche
36 Radialfläche
37 Stoßdämpfer
38 Bodenfläche
39 Bohrung
40 Bohrung
41 Mutter
42 Mutter

Claims (12)

1. Antriebswelle (20), insbesondere Gelenkwelle oder Kreuz­ gelenkwelle im Antrieb eines Kraftfahrzeuges (1), mit mindestens drei Wellenteilen (21, 22, 23), welche mit­ tels einer Verzahnung zumindest über einen Teilbereich koaxial ineinander einschiebbar sind, wobei die axial außenliegenden Wellenteile (21, 23) endseitig mit Anschlußelementen zur Drehmomentübertragung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Wellenteil (22) gegenüber den beiden äußeren Wellenteilen (21, 23) über die Verzahnung axial beweglich angeordnet ist, wobei das mittlere Wellenteil (22) mit zumindestens einem äußeren Wellenteil (21, 23) über mindestens ein Dämpfungselement (32, 33) in Wirk­ verbindung steht.

2. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Baulänge der drei Wellenteile (21, 22, 23) gleichbleibend ist.

3. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnung zwischen einem ersten (21) und dem mittleren Wellenteil (22) eine Schrägverzahnung (26, 29) ist und die Verzahnung zwischen einem dritten (23) und dem mittleren Wellenteil (22) eine Längsverzahnung (28, 30) ist, wobei das jeweils innenliegende Wellenteil (21, 22, 23) eine entsprechende Außenprofilierung und das koaxial jeweils außenliegende Wellenteil (21, 22, 23) eine korrespondierende Innenprofilierung aufweist.

4. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ersten (21) und dem mittleren Wellen­ teil (22) und/oder einem dritten (23) und dem mittleren Wellenteil (22) ein Dämpfungselement (32) in Form eines Federelementes angeordnet und mit den Wellenteilen (21, 22, 23) verbunden ist, wobei die beiden Wellenteile (21, 22, 23) durch das Federelement in einer ein Drehmoment übertragenden Position in mindestens einer Drehrichtung gehalten ist.

5. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ersten (21) und dem mittleren Wellen­ teil (22) und/oder einem dritten (23) und dem mittleren Wellenteil (22) ein hydraulisches Dämpfungselement (33) angeordnet und mit den Wellenteilen (21, 22, 23) verbun­ den ist, wobei die beiden Wellenteile (21, 22, 23) durch das Dämpfungselement (33) in einer ein Drehmoment über­ tragenen Position in mindestens einer Drehrichtung gehalten ist.

6. Antriebswelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federelement mit einem äußeren (21, 23) und dem mittleren Wellenteil (22) einerseits und ein hydrauli­ sches Dämpfungsglied (33) mit dem gegenüberliegenden äußeren (21, 23) und dem mittleren Wellenteil (22) anderseits verbunden ist.

7. Antriebswelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement aus zwei koaxial angeordneten Federn (34) besteht, von denen eine auf Zug und eine auf Druck beanspruchbar ist.

8. Antriebswelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement aus einer koaxial angeordneten Feder (34) besteht, die zumindest in einer Hauptan­ triebsdrehrichtung beanspruchbar ist und in der entge­ gengesetzten Antriebsdrehrichtung die Schrägverzahnung (26, 29) gegen einen Anschlag läuft.

9. Antriebswelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine hohe Federkonstante aufweist.

10. Antriebswelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsverhalten des Federelementes und/oder des hydraulischen Dämpfungselementes (33) von dem anliegenden Drehmoment abhängig ist.

11. Antriebswelle nach Anspruch 5 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Dämpfungselement (33) mit einer Flüssigkeit, beispielsweise einem Öl, einer rheologi­ schen, insbesondere elektrorheologischen, Flüssigkeit gefüllt ist.

12. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement aus einem gummielastischen Material besteht.