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Die
Erfindung betrifft ein Wellenlager, insbesondere Gelenkwellenlager,
für eine
(rotierende) Welle in einem Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Gelenkwelle,
mit
zumindest einem an einem Fahrzeugaufbau befestigbaren Lagergehäuse und
zumindest einem in dem Lagergehäuse
angeordneten Wälzlager,
in welchem die Welle befestigt ist,
wobei das Wälzlager
in dem Lagergehäuse
unter Zwischenschaltung zumindest eines elastisch verformbaren Dämpfungselementes
(bzw. in einem elastisch verformbaren Dämpfungselement) aus Kunststoff
gelagert ist.
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Gelenkwellen übertragen
in einem Kraftfahrzeug mit Standardantrieb (Motor vorn, Antriebsräder hinten)
oder mit Allradantrieb das Drehmoment vom Wechselgetriebe auf das
Achsgetriebe. Da die Hinterachse durch Unebenheiten der Fahrbahn und/oder
durch wechselnde Belastungen während des
Betriebs die Lage ändert,
kann die Welle mit Hilfe von Gelenken entsprechende Ausschläge der Hinterachse
mitmachen und zum Beispiel durch ein Schiebestück Längenänderungen ausgleichen. Gelenkwelle
meint im Rahmen der Erfindung auch einen Gelenkwellenstrang, der
insbesondere bei großem
Abstand zwischen Wechsel- und Achsgetriebe aus zwei oder auch aus
mehreren Gelenkwellenabschnitten besteht. Die Gelenkwelle bzw. die
Gelenkwellen werden durch Wellenlager abgestützt, die auch als Zwischenlager
oder Mittellager bezeichnet werden. Bei den bekannten Wellenlagern
der eingangs beschriebenen Art besteht das Dämpfungselement aus einem verhältnismäßig weichen
Gummi, das heißt
das Wälzlager
ist in weichem Gummi gelagert. Die weiche Lagerung ist insbesondere
deshalb erforderlich, damit Unwuchten ausgeglichen werden können. Problematisch
bei den insoweit bekannten Gummilagern ist die Tatsache, dass diese
an sich weich ausgelegten Gummilager bei dynamischer Belastung verhärten können. Im Übrigen führt die
Federcharakteristik solcher Gummi-Dämpfungselemente dazu, dass
diese bei geringen Federwegen härter
als gewünscht und
bei hohen Federwegen weicher als gewünscht ausgelegt werden müssen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wellenlager, insbesondere
Gelenkwellenlager, der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welches
sich bei einfachem Aufbau und einwandfreier Funktion durch hervorragende
Dämpfungseigenschaften
auszeichnet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einem Wellenlager, insbesondere
Gelenkwellenlager, der eingangs beschriebenen Art, dass das Dämpfungselement
bzw. die Dämpfungselemente
aus einem Schaumstoff gefertigt ist/sind. Vorzugsweise ist das Dämpfungselement
aus einem Polyurethan-Schaumstuff (PUR-Schaumstoff) gefertigt, z.
B. einem (geschlossen) zelligen PUR-Schaumstoff.
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Solche
zelligen Polyurethan (PUR)-Elastomere sind aus der Praxis grundsätzlich bekannt.
Sie werden beispielsweise in Fahrzeug-Stoßdämpfern eingesetzt.
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Die
Erfindung hat nun erkannt, dass sich die Eigenschaften von Wellenlagern
und insbesondere Gelenkwellenlagern erheblich verbessern lassen, wenn
dort als Dämpfungselemente
Formteile aus einem solchen PUR-Schaumstoff eingesetzt werden. Insofern
kann es sich um Dämpfungselemente
aus einem Schaumstoff mit einer Dichte von 300 kg/m3 bis
700 kg/m3 handeln, wobei das Porenvolumen
vorzugsweise 40 % bis 70 % des Gesamtvolumens des Dämpfungselementes
aufweist.
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Dabei
geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass sich Dämpfungselemente
aus PUR-Schaumstoff durch hervorragende Federkennwerte auszeichnen.
Es lassen sich weiche Wellenlager schaffen, die bei dynamischer
Belastung nicht verhärten.
Dabei lassen sich die Eigenschaften der Dämpfungselemente durch gezielte
Auswahl der Dichte und/oder der Geometrie der Schaumstruktur auswählen und
so an die Anforderungen anpassen. Vorteilhaft ist darüber hinaus
die Tatsache, dass durch die Eigenschaften des Schaumstoffes auf
faltenartige bzw. balgartige Formen des Dämpfungselementes, wie es bei
Gummi-Dämpfungselementen üblich ist,
verzichtet werden kann, so dass besonders kompakte Wellenlager mit
hervorragenden Eigenschaften hergestellt werden können. Dieses
ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil im Bereich von Kraftfahrzeug-Gelenkwellen
häufig
strenge geometrische Vorgaben bestehen. Schließlich zeichnen sich die erfindungsgemäßen Wellenlager
durch hervorragende Geräuschunterdrückung aus,
denn durch die Schaumstruktur mit den zahlreichen Poren bzw. Hohlkammern
erfolgt eine starke Reduzierung des Körperschalls durch Schallreflektionen
im Innern des Schaumstoffes.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden erläutert. So
ist das Dämpfungselement,
zum Beispiel in der Ausführungsform als
ringförmiges
Dämpfungselement
bzw. Dämpfungsring
oder in der Ausführungsform
aus mehreren Ringabschnitten in dem Lagergehäuse zwischen einer Außenhülse und
einer Innenhülse
angeordnet. Das Dämpfungselement
bzw. das Dämpfungsmaterial
wird dabei vorzugsweise im Zuge der Fertigung zwischen Innenhülse und
Außenhülse eingeformt, wobei
dann anschließend
die Außenhülse an das
Lagergehäuse
angeschlossen wird und außerdem
in die Innenhülse
das Wälzlager
eingesetzt wird. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn
das Dämpfungselement
unter Zwischenschaltung eines Haftvermittlers an die Außenhülse und/oder
an die Innenhülse
angeformt ist. Der Außendurchmesser
der Außenhülse ist
kleiner oder gleich 100 mm, während der
Innendurchmesser der Innenhülse
zum Beispiel 40 mm bis 70 mm, vorzugsweise 50 mm bis 60 mm, betragen
kann.
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Außerdem ist
es vorteilhaft, wenn das Dämpfungselement
mit einer Vorspannung von zum Beispiel 5 % bis 20 %, vorzugsweise
10 % bis 15 %, zwischen Innenhülse
und Außenhülse eingeformt
ist. Die oben angegebenen Dichten und Porenvolumen des Dämpfungselementes
beziehen sich auf den nicht vorgespannten Zustand. Jedenfalls ist
es durch die hervorragenden Eigenschaften des Dämpfungselementes möglich, die
Vorgaben der Fahrzeughersteller, wonach der Außendurchmesser der Außenhülse zum
Beispiel 100 mm nicht überschreiten
darf, ohne weiteres einzuhalten. Es lassen sich im Rahmen der Erfindung
auch deutlich geringere Außendurchmesser
von zum Beispiel 80 mm bis 95 mm, zum Beispiel 80 mm bis 90 mm,
erreichen.
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Außerdem ist
Gegenstand der Erfindung eine Gelenkwelle für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem
Gelenkwellenlager der beschriebenen Art.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 eine
Gelenkwelle mit einem erfindungsgemäßen Gelenkwellenlager in einer
perspektivischen Darstellung,
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2 einen
Querschnitt durch das erfindungsgemäße Gelenkwellenlager,
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3 eine
Ansicht auf den Gegenstand nach 2 aus Richtung
des Pfeils A,
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4 eine
abgewandelte Ausführungsform des
Gegenstandes nach 3,
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5.
eine Federkennlinie eines erfindungsgemäßen Gelenkwellenlagers nach 3,
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6 die
dynamische Steifigkeit des Gelenkwellenlagers nach 3 bei
kleinen Amplituden und
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7 die
dynamische Steifigkeit des Gelenkwellenlagers nach 3 bei
großen
Amplituden.
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Die
Figuren zeigen ein Gelenkwellenlager 1 für eine Gelenkwelle 2 in
einem Kraftfahrzeug. Das Gelenkwellenlager 1 besteht in
seinem grundsätzlichen
Aufbau aus einem Lagergehäuse 3 und
einem in dem Lagergehäuse 3 angeordneten
Wälzlager 4, zum
Beispiel Kugellager, wobei das Wälzlager 4 in dem
Lagergehäuse 3 in
einem elastisch verformbaren Dämpfungselement 5 oder
in mehreren elastisch verformbaren Dämpfungselementen 5' gelagert ist. Das
Lagergehäuse 3 ist
in an sich bekannter Weise als Strangpressprofil gefertigt und zum
Beispiel mittels Schrauben 6 an dem Fahrzeugaufbau 7 bzw.
der Fahrzeugkarosserie befestigt. In das Wälzlager 4 ist die
Gelenkwelle 2 eingesetzt. Das Lagergehäuse 3 weist innenseitig
eine kreisförmige
Aufnahme für
das Wälzlager 4 und
das Dämpfungselement 5, 5' auf.
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Erfindungsgemäß besteht
das als Dämpfungsring
ausgebildete Dämpfungselement 5 bzw. die
mehreren Dämpfungsringabschnitte 5' aus einem Polyurethan-Schaumstoff,
welcher vorzugsweise eine Dichte von 300 kg/m3 bis
700 kg/m3 aufweist. Das Porenvolumen beträgt vorzugsweise
40 % bis 70 % des Gesamtvolumens des Dämpfungselementes 5, 5'. Diese Angaben
beziehen sich auf einen nicht vorgespannten Zustand des Dämpfungselementes.
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Insbesondere 2 zeigt,
dass der Dämpfungsring 5 in
dem Lagergehäuse 3 zwischen
einer ringförmigen
Außenhülse 8 und
einer ringförmigen Innenhülse 9 angeordnet
ist. Dabei ist das Dämpfungselement 5 unter
Zwischenschaltung eines Haftvermittlers sowohl an die Außenhülse 8 als
auch an die Innenhülse 9 angeformt
und folglich mit diesen Hülsen 8, 9 verklebt.
Der Außendurchmesser
DA der Außenhülse 8 ist im Ausführungsbeispiel
kleiner als 100 mm.
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Der
Innendurchmesser Di der Innenhülse 9 beträgt 40 mm
bis 70 mm und im Ausführungsbeispiel
etwa 55 mm. Dementsprechend wird ein Wälzlager 4 mit einem
Außendurchmesser
von etwa 55 mm verwendet, wobei der Innendurchmesser des Wälzlagers
auf den Durchmesser DW der Gelenkwelle 2 abgestimmt
ist und im Ausführungsbeispiel
etwa 30 mm beträgt.
Die Breite BA der Außenhülse 8 ist vorzugsweise
an die Breite BG des Lagergehäuses 3 angepasst,
während
die Breite Bi der Innenhülse 9 vorzugsweise
an die Breite BL des Wälzlagers 4 angepasst
ist. Das Dämpfungselement 5 selbst
weist im Ausführungsbeispiel
eine Breite BD von 8 mm bis 15 mm, zum Beispiel
8 mm bis 12 mm, vorzugsweise 10 mm bis 12 mm, auf. Die Dicke d des
Dämpfungselementes 5 ergibt
sich aus dem Abstand zwischen Außenhülse 8 und Innenhülse 9,
welcher wiederum vom Außendurchmesser
des Wälzlagers
und vom Innendurchmesser des Lagergehäuses abhängt. Eine dynamische Verhärtung des
Dämpfungselementes 5 wird
auch dadurch verhindert, dass das Dämpfungselement 5 im
Zuge der Herstellung vorgespannt wird, und zwar um zum Beispiel
5 % bis 25 %, vorzugsweise 10 % bis 20 %.
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Im Übrigen ist
erkennbar, dass die ringförmige
Innenhülse 9 im
Querschnitt L-förmig
(oder auch C-förmig)
mit zumindest einem nach innen ragenden Anschlagbund 9' ausgebildet
ist, gegen welchen das Wälzlager 4 anliegt.
Grundsätzlich
besteht die Möglichkeit,
dass entsprechende Anschlagbunde auch beidseitig an der Innenhülse vorgesehen
sind oder auch alternativ oder ergänzend nach außen, das heißt in Richtung
des Dämpfungselementes 5 ragen. Gleiches
kann bei der Außenhülse vorgesehen
sein. Insofern können
die Innen hülse
und/oder die Außenhülse im Querschnitt
L-förmig,
C-förmig,
T-förmig oder
H-förmig
ausgebildet sein.
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Während in 3 eine
Ausführungsform
mit einem "Vollring" zwischen Innenhülse 9 und
Außenhülse 8 dargestellt
ist, zeigt 4 eine abgewandelte Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher mehrere Dämpfungselemente zwischen Außenhülse 8 und
Innenhülse 9 angeordnet
sind, wobei jedes dieser Dämpfungselemente 5' als Ringabschnitt 5' bzw. Teilring 5' ausgebildet
ist, so dass zwischen den einzelnen Ringabschnitten 5' Zwischenräume bzw.
Freiräume
ohne Dämpfungsmaterial
gebildet werden. Im Ausführungsbeispiel
sind vier Dämpfungsringabschnitte 5' vorgesehen,
welche sich jeweils über
einen Winkelbereich von 60° erstrecken.
Der übrige Aufbau
entspricht dem Aufbau der Ausführungsformen
nach den 1 bis 3. Es besteht
jedoch die Möglichkeit,
bei der Ausführungsform
nach 4 mit einem kleineren Außendurchmesser der Außenhülse 8 zu
arbeiten. So kann der Außendurchmesser
der Außenhülse 8 in
dem Ausführungsbeispiel
nach 4 lediglich 80 mm betragen, während der Außendurchmesser
der Außenhülse gemäß 3 beispielsweise
90 mm beträgt.
So kann nach der bevorzugten Ausführungsform nach 4 mit
mehreren Teilringabschnitten insgesamt noch kompakter gearbeitet
werden, und zwar bei optimalen Eigenschaften. Insgesamt zeichnet
sich die Erfindung durch eine minimale Isolierhöhe bei gleichzeitig maximaler
Lebensdauer, hervorragenden Dämpfungseigenschaften
und einer sehr guten Körperschall-Absorption aus.
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Die
Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wellenlagers
gemäß 4 zeigen
die Diagramme gemäß 5, 6 und 7.
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In 5 sind
zunächst
statische Messungen, nämlich
Federkennlinien, d. h. Kraft-Wegdiagramme dargestellt, und zwar
einerseits für
ein Gummilager nach dem Stand der Technik (Kurve T) und andererseits
ein erfindungsgemäßes Lager
(Kurve E). Es ist erkennbar, dass bei kleinen Auslenkungen trotz
des sehr kompakten Aufbaus der Erfindung vergleichbare Eigenschaften
wie beim Stand der Technik erreicht werden. Ferner zeichnet sich
die Erfindung dadurch aus, dass durch das "vorzeitige Abknicken" der Federkennlinien eine "Wegbegrenzung" erfolgt. Sehr große Auslenkungen
werden folglich zuverlässig
vermieden.
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6 zeigt
das Ergebnis einer dynamischen Messung für einerseits den Stand der
Technik (Kurve T) und andererseits ein erfindungsgemäßes Lager (Kurve
E). Aufgetragen ist die dynamische Steifigkeit gegen die Frequenz,
wobei hier die dynamische Steifigkeit bei kleinen Amplituden von
lediglich 0,1 mm gemessen wurde. Es zeigt sich, dass hier bei kleinen Amplituden
im Rahmen der Erfindung eine deutlich geringere dynamische Steifigkeit
als beim Stand der Technik erreicht wird. Eine mechanische Verhärtung wird
folglich vermieden. Ferner zeigt 7 die dynamische
Steifigkeit bei verhältnismäßig großen Amplituden
von 2,0 mm. Hier zeigt sich, dass mit dem erfindungsgemäßen Lager
(Kurve E) eine höhere
dynamische Steifigkeit erreicht wird, als beim Stand der Technik
(Kurve T). Insgesamt ist das erfindungsgemäße Lager bei kleinen Amplituden
bzw. Auslenkungen weicher und bei großen Amplituden bzw. Auslenkungen
härter
als die bekannten Gummilager.