DE19717417A1 - Shaft for torque transfer in automotive applications, etc. - Google Patents

Shaft for torque transfer in automotive applications, etc.

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DE19717417A1 DE1997117417 DE19717417A DE19717417A1 DE 19717417 A1 DE19717417 A1 DE 19717417A1 DE 1997117417 DE1997117417 DE 1997117417 DE 19717417 A DE19717417 A DE 19717417A DE 19717417 A1 DE19717417 A1 DE 19717417A1
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K17/00—Arrangement or mounting of transmissions in vehicles
    • B60K17/22—Arrangement or mounting of transmissions in vehicles characterised by arrangement, location, or type of main drive shafting, e.g. cardan shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/02—Shafts; Axles

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Abstract

The shaft (10) is thin-walled, hollow and slender. The shaft has one or more disc-shaped or annular insert supports (20) in the shaft cavity. The distance between one end of the shaft and the supporting element (20) or between two supporting elements (20) is less than 10 times the shaft diameter (d). The support elements are pressed or glued into the shaft and divide it evenly into sections of equal length. the support elements have a H or U shaped cross section.

Description

Die Erfindung betrifft eine dünnwandige, schlanke Hohlwelle, wie sie insbesondere in der Kraftfahrzeugtechnik zur Übertra­ gung eines Drehmomentes zwischen einer Antriebseinrichtung und einer anzutreibenden Einrichtung Verwendung findet.The invention relates to a thin-walled, slim hollow shaft, as they are used in particular in automotive engineering supply of a torque between a drive device and a device to be driven is used.

Derartige dünnwandige Hohlwellen, insbesondere solche aus Fa­ serverbundwerkstoffen, neigen bei Einwirkung eines statischen Drehmomentes zum sogenannten Torsionsbeulen und damit verbunden zu einem Stabilitätsversagen. Das maximal zulässige Torsionsmo­ ment ist dabei umgekehrt proportional zur Wurzel der freien (nicht eingespannten) Rohrlänge.Such thin-walled hollow shafts, in particular those from composite materials, tend to be exposed to a static Torque to the so-called torsional buckling and associated with it to a stability failure. The maximum allowable torsion mo ment is inversely proportional to the root of the free (not clamped) pipe length.

Aus der DE 43 19 260 A1 ist eine Hohlwelle mit wenigstens einem Spannelement bekannt, welches zwei axial im Abstand liegende Abschnitte der Welle miteinander verbindet und in Bezug auf die Hohlachse der Welle geneigt ist. Das Spannelement ist im Inne­ ren des Rohres angeordnet und umfaßt einen oder mehrere Ver­ stärkungsfäden, deren entgegengesetzte Enden mit dem Rohr ver­ bunden sind, und eine im Innern des Rohres angeordnete Scheibe, die als Führungs- und Spannelement für die Verstärkungsfäden dient.DE 43 19 260 A1 discloses a hollow shaft with at least one Clamping element known, which is two axially spaced Sections of the shaft are interconnected and related to the Hollow axis of the shaft is inclined. The tensioning element is inside ren of the tube arranged and comprises one or more Ver Reinforcing threads, the opposite ends of which ver are bound, and a disc arranged inside the tube, the as a guide and tensioning element for the reinforcing threads serves.

Aus der DE-AS 15 25 040 ist eine Hohlwelle bekannt, deren Wan­ dung durch periodische Kraftwirkungen zu Schwingungen angeregt wird und mindestens ein mit der Wandung in Eingriff stehendes Verstärkungselement aufweist. Das Verstärkungselement ist ein scheibenartiger Versteifungsteil, der senkrecht zur Achse im Inneren der Hohlwelle derart angeordnet ist, daß die Eigenfre­ quenz der Hohlwelle oberhalb eines vorgegebenen Mindestwertes liegt. Der scheibenartige Versteifungsteil liegt an einer inne­ ren Schulter der Welle an und steht mit seinem Umfang mit der Wand der Hohlwelle in Eingriff.From DE-AS 15 25 040 a hollow shaft is known, the Wan stimulated to vibrate by periodic force effects and at least one that engages with the wall Has reinforcing element. The reinforcing element is a disc-like stiffening part, which is perpendicular to the axis in the Inside of the hollow shaft is arranged such that the eigenfre frequency of the hollow shaft above a predetermined minimum value  lies. The disc-like stiffening part lies on one the shoulder of the shaft and its circumference stands with the Wall of the hollow shaft in engagement.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei­ ne Hohlwelle der vorstehend benannten Art zu schaffen, die bei Einwirkung eines statischen Drehmoments eine verbesserte Stabi­ lität aufweist.Proceeding from this, the invention is based, ei ne to create a hollow shaft of the type mentioned above, which at Effect of a static torque an improved stabilization lity.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Hohlwelle mit den Merkmalen des Hauptanspruches vorgeschlagen. Demnach ist im Innern einer dünnwandigen, schlanken Hohlwelle zur Erhöhung der Gestaltfe­ stigkeit der Hohlwelle als Widerstand gegen ein Einbeulen unter dem Einfluß eines statischen Drehmoments mindestens ein schei­ ben- oder ringförmiges Stützelement vorgesehen, derart, daß der Abstand von einem Hohlwellenende zu einem Stützelement oder zwischen zwei Stützelementen kleiner ist als das 10-fache des Hohlwellendurchmessers. Durch die erfindungsgemäße Ausgestal­ tung einer Hohlwelle mit mindestens einem scheiben- oder ring­ förmigen Stützelement wird die freie Länge verkürzt und das ma­ ximal zulässige Torsionsmoment erhöht, wodurch ein lokales Ein­ beulen der Hohlwelle verhindert wird. Versuche haben gezeigt, daß das maximal ertragene Drehmoment eines Gelenkwellenrohres je nach Baulänge durch den Einsatz von nur einem erfindungsge­ mäßen Stützelement zwischen 40% und 120% gesteigert werden kann. Darüber hinaus ist mit dem Einsatz der erfindungsgemäßen Stützelemente eine Verringerung des Gewichts einer Hohlwelle verbunden, da durch die Verwendung von erfindungsgemäßen Stütz­ elementen die Wandung der Hohlwelle dünner ausgebildet werden kann, ohne daß ein Stabilitätsverlust auftritt.To solve this problem, a hollow shaft with the features of the main claim proposed. So there is one inside thin-walled, slim hollow shaft to increase the shape strength of the hollow shaft as resistance to denting the influence of a static torque at least one shit ben or annular support member provided such that the Distance from a hollow shaft end to a support element or between two support elements is less than 10 times the Hollow shaft diameter. By the embodiment according to the invention device of a hollow shaft with at least one disc or ring shaped support element, the free length is shortened and the ma The maximum permissible torsional moment increases, which results in a local on bulging of the hollow shaft is prevented. Experiments have shown that the maximum endured torque of a propeller shaft tube depending on the length by using only one fiction support element between 40% and 120% can. In addition, with the use of the invention Support elements reduce the weight of a hollow shaft connected because by the use of support according to the invention elements of the wall of the hollow shaft are made thinner can without loss of stability.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Hohlwelle durch das mindestens eine scheiben- oder ringförmige Stützele­ ment in Abschnitte gleicher Länge unterteilt. In an advantageous embodiment of the invention, the hollow shaft through the at least one disk-shaped or ring-shaped support element ment divided into sections of equal length.  

In Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine schei­ ben- oder ringförmige Stützelement in die Hohlwelle eingepreßt oder eingeklebt.In an embodiment of the invention, this is at least one ben or ring-shaped support element is pressed into the hollow shaft or glued in.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Stützelement einen H-förmigen oder U-förmigen Querschnitt auf.In a further embodiment of the invention, the support element an H-shaped or U-shaped cross section.

In Ausgestaltung der Erfindung weist die Hohlwelle ein Länge- Durchmesser-Verhältnis größer als 10 auf.In an embodiment of the invention, the hollow shaft has a length Diameter ratio greater than 10.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung verfügt die Hohlwelle über ein Wanddicke-Durchmesser-Verhältnis kleiner als 0,05.In a further embodiment of the invention, the hollow shaft over a wall thickness-diameter ratio less than 0.05.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich erläutert.The invention is based on an embodiment in the Drawing is shown schematically and is below Reference to the drawing explained in detail.

Fig. 1 zeigt in seitlicher aufgeschnittener Darstellung eine Hohlwelle mit einem erfindungsgemäßen Stützelement. Fig. 1 shows a side cutaway representation of a hollow shaft with a support element according to the invention.

Fig. 2 zeigt das Stützelement der Fig. 1 in vergrößerter Dar­ stellung. Fig. 2 shows the support element of FIG. 1 in an enlarged Dar position.

Fig. 1 zeigt eine Hohlwelle 10 mit einem Wellenteil 12 und an dem Wellenteil 12 endseitig vorgesehenen Befestigungsflanschen 14. Fig. 1 shows a hollow shaft 10 having a shaft portion 12 and on the shaft end part 12 provided for mounting flanges fourteenth

Das Wellenteil 12 ist ein dünnwandiges, schlankes Rohr mit ei­ ner Wanddicke s, einem Durchmesser d und einer Länge l.The shaft part 12 is a thin-walled, slim tube with egg ner wall thickness s, a diameter d and a length l.

Die Hohlwelle 10 kann beispielsweise aus Metall oder aus faser­ verstärktem Kunststoff bestehen und dient insbesondere als An­ triebswelle zur Übertragung von Drehmomenten zwischen zwei zu­ einander beweglich angeordneten Maschinenteilen, beispielsweise von einem Kraftfahrzeugschaltgetriebe zu einem Kraftfahrzeug­ differentialgetriebe. Die Wanddicke s beträgt dabei beispiels­ weise 2 mm, der Durchmesser d beispielsweise 80 mm und die Län­ ge l beispielsweise 1.200 mm.The hollow shaft 10 may consist, for example, of metal or fiber-reinforced plastic and serves in particular as a drive shaft for the transmission of torques between two mutually moveable machine parts, for example from a motor vehicle gearbox to a motor vehicle differential gear. The wall thickness s is, for example, 2 mm, the diameter d, for example, 80 mm and the length l, for example, 1,200 mm.

Im Innern der Hohlwelle 10 ist ein erfindungsgemäßes Stützele­ ment 20 angeordnet, das in der Darstellung der Fig. 2 vergrö­ ßert wiedergegeben ist.Inside the hollow shaft 10 , a support element 20 according to the invention is arranged, which is shown enlarged in the illustration in FIG. 2.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Stützelement 20 eine Scheibenform mit H-förmigem Quer­ schnitt auf. Das Stützelement 20 umfaßt einen mittleren schei­ benförmigen Abschnitt 22, der dem Querbalken der H-Form ent­ spricht, sowie eine nach beiden Seiten der Scheibenfläche senk­ recht abkragende Randverstärkung 24, die im Querschnitt den beiden Schenkeln der H-Form entspricht.In the illustrated embodiment of the invention, the support member 20 has a disc shape with an H-shaped cross section. The support member 20 includes a central schei ben-shaped portion 22 , which speaks ent the crossbar of the H-shape, and a perpendicular to both sides of the disc surface cantilevered edge reinforcement 24 , which corresponds in cross section to the two legs of the H-shape.

Das erfindungsgemäße Stützelement 20 ist aufrecht mit seinem scheibenförmigen Mittelteil senkrecht zur Längsachse des Wel­ lenteils 12 im Innern der Hohlwelle 10 angeordnet, wobei die Randverstärkung 24 an der Innenseite der Rohrwandung des Wel­ lenteils 12 anliegt. Das Stützelement 20 kann beispielsweise mittels Pressen oder Verkleben in dem Innern der Hohlwelle 10 befestigt sein. Sollte die Rohrinnenwandung ein Zahnprofil auf­ weisen, so verfügt die an der Innenwandung anliegende Randver­ stärkung 24 vorteilhafterweise über ein entsprechend ausgebil­ detes Zahnprofil.The support element 20 according to the invention is arranged upright with its disc-shaped central part perpendicular to the longitudinal axis of the wel part 12 in the interior of the hollow shaft 10 , the edge reinforcement 24 abutting the inside of the tube wall of the wel part 12 . The support element 20 can, for example, be fastened in the interior of the hollow shaft 10 by means of pressing or gluing. If the inner tube wall has a tooth profile, then the edge reinforcement 24 lying against the inner wall advantageously has a correspondingly trained tooth profile.

Durch das im Innern der Hohlwelle 10 angeordnete und befestigte erfindungsgemäße Stützelement 20 wird die freie Länge in dem Wellenteil 12 verkürzt und somit erfindungsgemäß das maximal zulässige Torsionsmoment für die Hohlwelle 10 erhöht, so daß ein lokales Einbeulen der Hohlwelle 10 aufgrund zu hoher Bean­ spruchung durch statische Drehmomente vermieden wird.Arranged and fastened in the interior of the hollow shaft 10 supporting element 20 according to the invention, the free length in the shaft part 12 is shortened and thus, according to the invention, the maximum permissible torsional moment for the hollow shaft 10 is increased, so that a local dent of the hollow shaft 10 due to excessive stress caused by static Torques is avoided.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur ein Stützele­ ment 20 in der Hohlwelle 10 angeordnet. Es können jedoch noch weitere Stützelemente vorgesehen sein, um die Gestaltfestigkeit der Hohlwelle weiter zu erhöhen. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Stützelemente in etwa gleichen Axialab­ ständen im Innern der Hohlwelle 10 angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen zwei Stützelementen bzw. von einem Hohlwellen­ ende zu einem Stützelement kleiner ist als das 5- bis 10-fache des Hohlwellendurchmessers d.In the illustrated embodiment, only a Stützele element 20 is arranged in the hollow shaft 10 . However, further support elements can be provided in order to further increase the structural strength of the hollow shaft. It has proven to be particularly advantageous if the support elements are arranged in approximately the same axial positions inside the hollow shaft 10 , the distance between two support elements or from a hollow shaft end to a support element being smaller than 5 to 10 times the hollow shaft diameter d.

Durch die Verwendung erfindungsgemäßer Stützelemente 20 kann die Drehmomentbelastbarkeit einer gegebenen Hohlwelle beträcht­ lich gesteigert werden. Andererseits können Hohlwellen, die an und für sich eine ausreichende Stabilität aufweisen, durch den Einsatz von mindestens einem erfindungsgemäßen Stützelement mit geringerer Wanddicke s und/oder geringerem Durchmesser d ausge­ legt werden, was zu einer Materialersparnis führt und, damit verbunden, zu einer Verringerung des Gewichts der Hohlwelle und deren Herstellungskosten.By using support elements 20 according to the invention, the torque capacity of a given hollow shaft can be increased significantly. On the other hand, hollow shafts, which in and of themselves have sufficient stability, can be laid out by using at least one support element according to the invention with a smaller wall thickness s and / or a smaller diameter d, which leads to a material saving and, associated with this, to a reduction in the Weight of the hollow shaft and its manufacturing costs.

Die erfindungsgemäßen Stützelemente können aus Metall (bei­ spielsweise Stahl oder Aluminium) oder aus Kunststoff (bei­ spielsweise aus wiederverwertetem Material aus der Faserver­ bundwerkstoff-Rohrproduktion) gefertigt sein. Sie können schei­ ben- oder ringförmig sein und verschiedene Querschnittsformen aufweisen, beispielsweise den dargestellten H-förmigen Quer­ schnitt, aber auch U-förmigen oder rechteckigen Querschnitt.The support elements according to the invention can be made of metal (at for example steel or aluminum) or plastic (for for example, from recycled material from the fiber bundle material tube production). You can shit be ben- or ring-shaped and different cross-sectional shapes have, for example the illustrated H-shaped cross cut, but also U-shaped or rectangular cross-section.

Die erfindungsgemäßen Stützelemente erweisen sich insbesondere bei einer Verwendung in Rohren aus Faserverbundkunststoff (FVK- Rohre) als vorteilhaft, da aufgrund des anisotropen Material­ verhaltens von FVK-Rohren (der Quer-E-Modul Ey ist meist we­ sentlich geringer als der Längs-E-Modul Ex, beispielsweise um den Faktor 10) bei diesen Rohren ein Torsionsbeulen wesentlich früher auftritt als bei isotropen Rohren (beispielsweise Stahl­ rohre).The support elements according to the invention prove to be particularly advantageous when used in pipes made of fiber composite plastic (FRP pipes) because, due to the anisotropic material behavior of FRP pipes (the transverse modulus of elasticity E y is mostly we significantly lower than the longitudinal E) -Module E x , for example by a factor of 10) a torsional buckling occurs much earlier in these tubes than in isotropic tubes (for example steel tubes).

Claims (6)

1. Dünnwandige, schlanke Hohlwelle, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Gestaltfestigkeit der Hohlwelle (10) als Widerstand gegen ein Einbeulen unter dem Einfluß eines stati­ schen Drehmoments im Innern der Hohlwelle (10) mindestens ein scheiben- oder ringförmiges Stützelement (20) vorgesehen ist, derart, daß der Abstand von einem Hohlwellenende zu einem Stützelement (20) oder zwischen zwei Stützelementen (20) klei­ ner ist als das 10-fache des Hohlwellendurchmessers (d).1. Thin-walled, slim hollow shaft, characterized in that in order to increase the structural strength of the hollow shaft ( 10 ) as resistance to denting under the influence of a static torque in the interior of the hollow shaft ( 10 ) at least one disk or ring-shaped support element ( 20 ) is provided is such that the distance from a hollow shaft end to a support element ( 20 ) or between two support elements ( 20 ) is smaller than 10 times the hollow shaft diameter (d). 2. Hohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (10) durch das mindestens eine scheiben- oder ring­ förmige Stützelement (20) in Abschnitte gleicher Länge unter­ teilt ist.2. Hollow shaft according to claim 1, characterized in that the hollow shaft ( 10 ) by the at least one disk or ring-shaped support element ( 20 ) is divided into sections of the same length. 3. Hohlwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine scheiben- oder ringförmige Stützelement (20) in die Hohlwelle (10) eingepreßt oder eingeklebt ist.3. Hollow shaft according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one disk-shaped or annular support element ( 20 ) is pressed or glued into the hollow shaft ( 10 ). 4. Hohlwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stützelement (20) einen H-förmigen oder U-förmigen Querschnitt aufweist.4. Hollow shaft according to one of claims 1 to 3, characterized in that the support element ( 20 ) has an H-shaped or U-shaped cross section. 5. Hohlwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch ein Länge-Durchmesser-Verhältnis (l/d) größer als 10. 5. Hollow shaft according to one of the preceding claims, marked characterized by a length-diameter ratio (l / d) larger than 10.   6. Hohlwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch ein Wanddicke-Durchmesser-Verhältnis (s/d) klei­ ner als 0,05.6. Hollow shaft according to one of the preceding claims, characterized is characterized by a wall thickness-diameter ratio (s / d) small less than 0.05.
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