DE19654552C2

DE19654552C2 - Antriebswelle für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE19654552C2
Application number: DE19654552A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Yamane
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2016-12-28
Also published as: KR970035781A; US5836825A; JPH09175202A; DE19654552A1; JP3592420B2; KR100189710B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebswelle für ein Fahrzeug, umfassend ein FRP-Rohr mit einem zylindrischen Endabschnitt und einem Zwischenrohrabschnitt, der eine sich verjüngende Innenumfangsfläche aufweist, die an einem Ende mit großem Durchmesser desselben mit einer Innenumfangsfläche des zylindrischen Endabschnitts verbunden ist, wo bei der Zwischenrohrabschnitt in einer helixartig gewundenen Art und Weise ausgebildet ist, ein Gelenkelement mit einem zylindrischen Endabschnitt, mit dem das Gelenkelement in den zylindrischen Endabschnitt des FRP-Rohrs durch Preßpassung eingesetzt ist, wobei das FRP-Rohr einen bei Einwirkung einer Stoßlast zur Energieabsorption verformbaren Bereich aufweist.

Wenn ein Fahrzeug kollidiert und eine Antriebswelle eine sich daraus ergebende Stoßbelastung aufnimmt, dann ist es wünschenswert, daß die Antriebswelle selbst einen die Stoß last absorbierenden Effekt aufweist.

Bei einer Antriebswelle, bei welcher ein aus Stahl herge stelltes Rohr verwendet wird, ist das Rohr in einer zweige teilten Art und Weise aufgebaut und weist ein zwischen den beiden aufgeteilten Teilen angebrachtes Gelenk auf, so daß eine bei einer Kollision des Fahrzeugs erzeugte Stoßlast durch Knicken bzw. Krümmen des Rohrs an einer Verbindung der aufgeteilten Teile absorbiert wird. Bei einer Antriebs welle, welche ein FRP-Rohr verwendet, ist jedoch das FRP-Rohr aus dem Hauptgrund der Gewichtsverringerung als inte graler Typ ausgebildet, und daher ist eine derartige An triebswelle nicht mit einer Verbindung des vorangehend be schriebenen Typs versehen.

Das FRP-Rohr muß sich bei einer Kollision des Fahrzeugs durch die Stoßlast ebenso knicken oder krümmen können; das FRP-Rohr wird durch eine geringe Stoßlast jedoch nicht ge knickt, da das FRP-Rohr eine relativ große Knicklast auf weist.

Aus der DE 41 19 359 A1 ist eine Antriebswelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Diese bekannte, im wesentlichen rohrartig aufgebaute Antriebswelle ist in einem Endbereich mit einem sich von außen nach innen verjüngenden Abschnitt und einem Anschlußbereich ausgebildet, in welchen Anschlußbereich ein Übertragungselement eingeschoben ist. Bei Auftreten einer Axiallast kann das Übertragungselement sich im Anschlußbereich verschieben, bis es schließlich zur Anlage an einem Stützring kommt, der an den sich verjüngenden Abschnitt des Rohrs angeklebt ist. Der Stützring hat die Aufgabe, eine Zerstörung der Rohrwelle im sich verjüngenden Übertragungsbereich bei Auftreten einer Kollision zu vermeiden. Zur Absorption der Aufprallenergie wird die rohrartig aufgebaute Antriebswelle geknickt oder ausgebeult.

Aus dem Artikel "The Filament Winding of Hybrid Composite Driveshafts", 1980, Society for the Advancement of Material and Process Engineering, ist es bekannt, Antriebswellen aus Verbundmaterial mit drei Grundschichten aufzubauen. Bei diesen Schichten werden die Fasern während des Herstellungsvorgangs auf einen Dorn unter einem vorbestimmten Winkel gewickelt, wobei für alle drei Schichten verschiedene Wicklungswinkel verwendet werden.

Die DE 44 07 520 A1 zeigt eine Fügeverbindung zur Herstellung einer spielfreien Verbindung einer Gelenkwelle mit einer Getriebewelle.

Aus der DE 39 20 793 A1 ist es bekannt, eine rohrartig aufgebaute Welle, die aus Verbundwerkstoff besteht, an einem offenen Rohrende mit einem Anschlußstutzen zu verbinden, wobei in Umfangrichtung ein formschlüssiger Eingriff vorgesehen ist. Diese bekannte Rohrwelle ist derart ausgebildet, daß sie Druck- oder Knickkräfte, die größer sind als die in Längsrichtung wirkenden Verbindungskräfte zwischen dem Rohrende und dem Anschlußstutzen, im wesentlichen zerstörungsfrei aufnehmen kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebswelle für ein Fahrzeug vorzusehen, die bei einer Kollision des Fahrzeugs unter Ausnutzung der relativ geringen interlaminaren Scherfestigkeit von FRP-Rohren ein definiertes Energieabsorptionsverhalten aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch angegebene Antriebswelle gelöst.

Der Zwischenrohrabschnitt ist in einer sich helixartig win denden Art und Weise ausgebildet und daher erscheinen an der sich verjüngenden Innenumfangsfläche Faserbündel, um eine Schicht entsprechend der Anzahl an gewundenen Faser bündeln zu bilden. Somit wird, wenn der zylindrische Ab schnitt bei einer Kollision des Fahrzeugs unter der Stoß last durch Verschieben gegen die sich verjüngende Innenum fangsfläche stoßen kann, die zwischen den benachbarten Fa serbündeln liegende Schicht abgeschert, da der Zwischen rohrabschnitt eine relativ geringe interlaminare bzw. Zwi schenschicht-Scherfestigkeit aufweist, und als ein Ergebnis daraus wird jedes der Faserbündel abgeschert. Schließlich wird der Zwischenrohrabschnitt gebrochen.

Das Brechen des Zwischenrohrabschnitts tritt bei einer Stoßlast von 15 bis 20% der Knicklast des FRP-Rohrs auf.

Mit dem vorangehend beschriebenen Aufbau kann eine An triebswelle vorgesehen werden, welche in der Lage ist, zu verlässig einen aus einer Kollision des Fahrzeugs resultie renden Stoß zu absorbieren.

Die vorangehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform augenscheinlich, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.

Fig. 1 ist eine Draufansicht einer erfindungsgemäßen Antriebswelle;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Vertikalschnittansicht eines wesentlichen in Fig. 1 gezeigten Abschnitts;

Fig. 3A ist eine Darstellung zum Erklären einer helixar tigen Wicklung der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 3B ist eine Schnittansicht entlang der Linie b-b in Fig. 3A;

Fig. 4 ist eine Ansicht, welche einen Brech-Vorgang ei nes erfindungsgemäßen FRP-Rohrs zeigt;

Fig. 5 ist eine Ansicht, welche das Beenden des Brechens des erfindungsgemäßen FRP-Rohrs darstellt; und

Fig. 6 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer Modifi zierung eines Jochs.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Wenn man sich zunächst den Fig. 1 und 2 zuwen det, so umfaßt eine Antriebswelle 1 für ein Fahrzeug ein FRP-Rohr 2, welches sich in einer Längsrichtung des Fahr zeugs erstreckt, sowie ein Paar von Universalgelenken oder Kreuzgelenken 3 und 4 als mit wenigstens einem Ende (ent gegengesetzten Enden in dieser Ausführungsform) des FRP-Rohrs 2 verbundene Gelenke. Das FRP-Rohr 2 umfaßt einen Rohrkörper 5 mit gleichförmigem Durchmesser über seine ge samte Länge und ein Paar von sich verjüngenden Zwischen rohrabschnitten 7 mit Enden 6 mit kleinem Durchmesser, die kontinuierlich an Anschlußenden des Rohrkörpers 5 an den Vorder- und Rückseiten des Fahrzeugs ausgebildet sind. Das FRP-Rohr 2 umfaßt ferner ein Paar von zylindrischen Endab schnitten 9, die an jedem Ende mit Enden 8 mit größerem Durchmesser der Zwischenrohrabschnitte 7 verbunden sind und die über ihre gesamte Länge einen gleichförmigen Durchmes ser aufweisen.

Wie in Fig. 2 besser zu erkennen ist, weist jeder der Zwi schenrohrabschnitte 7 eine sich verjüngende Innenum fangsfläche 7a auf mit einem Ende e₁ mit großem Durchmesser und einem Ende e₂ mit kleinem Durchmesser. Das Ende e₁ mit großem Durchmesser ist kontinuierlich an einem Ende einer Innenumfangsfläche 9a jedes zylindrischen Endabschnitts 9 ausgebildet, und das Ende e₂ mit kleinem Durchmesser ist kontinuierlich an einem Ende einer Innenumfangsfläche 5a des Rohrkörpers 5 ausgebildet. Jeder der Zwischenrohrab schnitte 7, z. B. das FRP-Rohr 2 in der Ausführungsform, ist durch schraubenartiges und/oder spiralartiges Wickeln bzw. Winden eines mit einem Harz imprägnierten Kohlefaserbündels gebildet. Jeder der zylindrischen Endabschnitte 9 weist eine kurze FRP-Hülse 10 auf, die mit der gesamten Innenum fangsfläche 9a desselben verbunden ist und ein inneres Ende aufweist, das sich zu der sich verjüngenden Umfangsfläche 7a erstreckt. Die kurze FRP-Hülse 10 ist durch Wickeln ei nes Bündels von Kohlefasern, welche mit Harz imprägniert sind, in einer Umfangsrichtung gebildet.

In einem der Joche 11 der Universalgelenke 3, 4 umfaßt des sen zylindrischer Abschnitt 12 einen sich verjüngenden zy lindrischen Abschnitt 13 an der Seite eines freien Endes, und umfaßt einen zylindrischen Abschnitt 14 mit gleichför migem Durchmesser, welcher mit dem sich verjüngenden zylin drischen Abschnitt 13 verbunden ist. Eine Verzahnung (nicht gezeigt) mit sich axial erstreckenden Kammlinien ist an einer Außenumfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 14 mit gleichförmigem Durchmesser ausgebildet, und der zylin drische Abschnitt 14 mit gleichförmigem Durchmesser ist in die kurze FRP-Hülse 10 durch Preßpassung eingesetzt. Somit sind die Universalgelenke 3 und 4 mit dem FRP-Rohr 2 ver bunden, und ein Außenumfangsrand 16 in einer ringförmigen inneren Endfläche 15 des sich verjüngenden zylindrischen Abschnitts 13 liegt der sich verjüngenden Innenumfangs fläche 7a gegenüber.

In diesem Falle ist ein Abstand d₁ zwischen dem Außenum fangsrand 16 des zylindrischen Abschnitts 12 in dem einen Joch 11 und einem Phantomkreis c der sich verjüngenden in neren Umfangsfläche 7a, welche dem äußeren Umfangsrand 16 gegenüberliegt, kleiner ausgebildet als ein Abstand d₂ zwi schen einer Endfläche 18 des anderen Jochs 17 und einer ringförmigen äußeren Endfläche 19 der kurzen FRP-Hülse 10 (d. h. d₁ < d₂), so daß die Endfläche 18 des anderen Jochs 17 an der ringförmigen äußeren Endfläche 19 der kurzen FRP-Hülse 10, welche der Endfläche 18 gegenüberliegt, nach dem Anstoßen des äußeren Umfangsrands 16 des zylindrischen Ab schnitts 12 an dem Joch 11 an der sich verjüngenden inneren Umfangsfläche 7a anstoßen kann.

Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt, wird der Zwischenrohr abschnitt 7 durch das schrauben- bzw. spiralartige Winden unter Verwendung eines Formkerns 21 gebildet, und daher erscheint das Faserbündel 20 an der sich verjüngenden inne ren Umfangsfläche 7a, um gemäß der Anzahl an Windungen des Kohlefaserbündels 20 eine Schicht zu bilden, wie durch die Bezugszeichen f₁ bis f₄ gezeigt.

Wenn dann der äußere Umfangsrand 16 des zylindrischen Ab schnitts 12 in dem Joch 11 an dem vorderen Abschnitt des Fahrzeugs an dem Phantomkreis c der sich verjüngenden In nenumfangsfläche 7a durch Verschiebung unter einer Stoßbe lastung bei einer Frontalkollision des Fahrzeugs anstoßen kann, dann wird eine Schicht zwischen den beiden benachbar ten Kohlefaserbündelwicklungen 20 abgeschert, und als ein Ergebnis daraus werden die jeweiligen Kohlefaserbündelwick lungen 20 abgeschert, wie in Fig. 4 gezeigt, da der Zwi schenrohrabschnitt 7 eine relativ geringe interlaminare bzw. Zwischenschicht-Scherfestigkeitscharakteristik auf weist. Gleichzeitig werden das Ende 6 mit kleinem Durchmes ser des Zwischenrohrabschnitts 7 und die Umgebung desselben gedrückt und daher radial nach auswärts erweitert, und wer den dadurch in ihrer Sprödigkeit verringert.

Dann kann die Endfläche 18 des anderen Jochs 17 an der äu ßeren Endfläche 19 der kurzen FRP-Hülse 10 anstoßen, wie in Fig. 5 gezeigt, und schließlich wird der Zwischenrohrab schnitt gebrochen. Danach ist das Joch 11 von dem FRP-Rohr 2 getrennt und kann axial bewegt werden.

Auf diese Art und Weise kann der aus einer Frontalkollision des Fahrzeugs auf die Antriebswelle 1 resultierende Stoß bzw. die Stoßlast aufgrund der Tatsache zuverlässig absor biert werden, daß der Zwischenrohrabschnitt 7 als ein Be reich wirkt, welcher zum Zeitpunkt einer Frontalkollision des Fahrzeugs zerbrochen wird, und daß der zylindrische Abschnitt 12 als ein Brech-Element wirkt, welches an der sich verjüngenden Innenumfangsfläche 7a durch Verschieben unter der Stoßlast anstößt. Wenn beispielsweise eine Knick last des FRP-Rohrs 2 16,6 t ist, dann kann der Zwischen rohrabschnitt 7 bei einer Stoßlast von ungefähr 2,6 t ge brochen werden.

Die Fig. 6 zeigt einen äußeren Umfangsrand 16 des zylindri schen Abschnitts 12, welcher scharf ausgebildet ist. Somit kann das Einschneiden des äußeren Umfangsrands 16 in die sich verjüngende innere Umfangsfläche 7a verbessert werden.

Wenn ein anderes Fahrzeug mit dem Fahrzeug von hinten kol lidiert, dann tritt ein dem vorangehend beschriebenen Brechvorgang entsprechender Brechvorgang an einer Verbin dung zwischen dem Universalgelenk 4 am hinteren Abschnitt des Fahrzeugs und des FRP-Rohrs 2 auf, wodurch eine auf die Antriebswelle 1 einwirkende Stoßlast absorbiert werden kann.

Eine Antriebswelle umfaßt ein FRP-Rohr (2) und Gelenke (3, 4), die mit wenigstens einem Ende des FRP-Rohrs (2) verbun den sind. Das FRP-Rohr (2) umfaßt zylindrische Endab schnitte (9), in welche zylindrische Abschnitte (13, 14) der Gelenke (3, 4) durch Preßpassung eingesetzt sind, sowie Zwischenrohrabschnitte (7), welche sich verjüngende innere Umfangsflächen (7a) aufweisen, die an ihren Enden mit gro ßem Durchmesser mit Anschlußenden von Innenumfangsflächen der zylindrischen Endabschnitte (9) verbunden sind, und welche durch helixartige Wicklung bzw. Windung ausgebildet sind. Der Zwischenrohrabschnitt (7) ist als ein Abschnitt ausgebildet, welcher bei einer Kollision des Fahrzeugs zer brochen werden kann, und der zylindrische Abschnitt (9) des Gelenks (3) ist als ein Brech-Element ausgebildet, welches durch Verschiebung unter einer Stoßlast an der sich verjün genden inneren Umfangsfläche (7a) des Zwischenrohrab schnitts (7) anstoßen kann. Auf diese Art und Weise kann eine Antriebswelle vorgesehen werden, weiche bei einer Kol lision des Fahrzeugs eine Stoßlast absorbieren kann.

Claims

Antriebswelle für ein Fahrzeug, umfassend:
- - ein FRP-Rohr (2) mit einem zylindrischen Endabschnitt (9) und einem Zwischenrohrabschnitt (7), der eine sich verjüngende Innenum fangsfläche (7a) aufweist, die an einem Ende mit großem Durchmesser desselben mit einer Innenumfangsfläche des zylindrischen Endabschnitts (9) verbunden ist, wobei der Zwischenrohrabschnitt (7) in einer helixartig gewundenen Art und Weise ausgebildet ist,
- - ein Gelenkelement (3, 4) mit einem zylindrischen Endabschnitt (13, 14), mit dem das Gelenkelement (3, 4) in den zylindrischen Endabschnitt (9) des FRP-Rohrs (2) durch Preßpassung eingesetzt ist, wobei das FRP-Rohr (2) einen bei Einwirkung einer Stoßlast zur Energieabsorption verformbaren Bereich aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zwischenrohrabschnitt (7) den verformbaren Bereich bildet, an dem der bei Einwirkung einer Stoßlast verschiebbare zylindrische Endabschnitt (13, 14) des Gelenks (3) anstößt,
daß das Gelenk (3) einen sich verjüngenden Außenumfangsrand (13) aufweist und
daß ein Verjüngungswinkel der inneren Umfangsfläche (7a) des Zwischenrohrabschnitts (7) größer ist als ein Verjüngungswinkel des Außenumfangsrands (13) des Gelenks (3),
so daß bei weiterer Verschiebung des an den Zwischenrohrabschnitt (7) anstoßenden zylindrischen Endabschnitts (13, 14) des Gelenkelements (3) der Zwischenrohrabschnitt (7) zerbrochen wird.