DE2855487A1 - Hohlwelle - Google Patents

Hohlwelle

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DE2855487A1
DE2855487A1 DE19782855487 DE2855487A DE2855487A1 DE 2855487 A1 DE2855487 A1 DE 2855487A1 DE 19782855487 DE19782855487 DE 19782855487 DE 2855487 A DE2855487 A DE 2855487A DE 2855487 A1 DE2855487 A1 DE 2855487A1
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shaft
hollow shaft
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cast iron
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DE19782855487
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English (en)
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Ulrich Prof Dipl Ing Jaeger
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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60KARRANGEMENT 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
    • B60K17/00Arrangement or mounting of transmissions in vehicles
    • B60K17/22Arrangement or mounting of transmissions in vehicles characterised by arrangement, location, or type of main drive shafting, e.g. cardan shaft
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/02Shafts; Axles

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Description

  • / "Hohlwelle"
  • Kohlwelle Die Erfindung betrifft eine Hohlwelle, insbesondere Kardan- oder Gelenkwelle für Kraftfahrzeuge.
  • Es ist bekannt, daß an Maschinen und Kraftfahrzeugen die in diesen umlaufenden Wellen eine bedeutsame Quelle für störende Geräusche darstellen. Die Geräusche können sich dabei aus Grund- und Oberschwingungen bei der betreffenden Drehzahl, aus Eigenbewegungen und deren Oberschwingungen und/oder aus Stoßbewegungen zusammensetzen. Dies gilt gleichermaßen für Hohlwellen und für Vollwellen.
  • Besonders bei Kardan- und Gelenkwellen können derartige Geräusche außerordentlich störend sein, wobei der an der Welle entstehende Körperschall z.T. über den Umweg der Lager- und Radaufhängungen und über die Karosserie in einen Luftschall umgewandelt wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, Hohlwellen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, so weiterzubilden, daß die Entstehung drehzahlabhängiger Schwingungen und Resonanzen an der Welle erheblich eingeschränkt wird. Außerdem soll bei einfacher Herstellung der Hohlwelle nach Möglichkeit erreicht werden, daß die an der Welle entstehenden Rest schwingungen gedämpft werden5 ehe sie über die Anchlußpunkte der Welle weitergeleitet werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wanddicke und/oder der Außendurchmesser in jedem Querschnitt über die Länge der Welle zwischen den Einspannpunkten so bemessen sind, daß zur Erhöhung der Eigenschwingungszahl der Welle Wanddicke und/oder Außendurchmesser über die Länge der Welle zwischen ihren Einspannpunkten im Querschnitt so bemessen sind, daß die Biegefestigkeit der Welle in jeder Querschnittsebene etwa gleich ist und die Biegelinie sich einer Geraden nähert.
  • Die dazu notwendige Variation der Wanddicke erfolgt dabei zweckmäßigerweise durch entsprechende Anderung der lichten Weite. Soweit erforderlich, kann auch der Außendurchmesser der Welle variiert werden. Durch diese Maßnahmen werden Unwuchten, die durch eine konstante Biegesteifigkeitsverteilung auftreten, im großen Umfange vermieden und die Entstehung entsprechender Schwingungen, Resonanzen und Geräusche unterbunden.
  • Bevorzugt wird die Hohlwelle aus einem Gußwerkstoff hergestellt.
  • Dies hat den Vorteil, daß die erforderliche Variation der innere lichten Weite auf einfache Weise durch einen entsprechend profilierten Gußkern ohne großen Aufwand hergestellt werden kann.
  • Dies hat weiter den Vorteil, daß bei Herstellung aus einem Gußwerkstoff die Anschlußstellen der Welle auf besonders einfache Weise durch Oberflächenvergütung,z.B. durch Brenn- oder Induktionshärtebehandlung, verschleißfest ausgebildet werden können und nur relativ geringer Nachbearbeitung bedürfen. Auch wird durch die Herstellung der Hohlwelle mittels eines Gußwerkstoffes; die Welle vom Gießvorgang her mit einem natürlichen Korrosionsschutz versehen, so daß zusätzliche Maßnahmen für den Korrosionsschutz entfallen.
  • Ein ganz wesentlicher Vorteil der Herstellung der Hohlwelle durch einen Gußwerkstoff besteht darin, daß unter den Gußwerkstoffen solche ausgewählt werden können, die bei ausreichender Festigkeit vom Materialther ein besonders hohes Dämpfungsvermögen für Körperschall aufweisen. Hierfür sind besonders gut graphithaltige Eisengußwerkstoffe, insbesondere Gußeisen mit Kugelgraphit oder - ggf. mit Magnesium behandelter - Temperguß geeignet.
  • Die Herstellung der Hohlwelle aus einem solchen Gußwerkstoff mit besonders hohem Dämpfungsvermögen für Körper schall hat Vorteile auch bereits bei Hohlwellen ohne die besondere Formgestaltung zur Erzielung einer vorbestimmten Biegefestigkeitsverteilung.
  • Jedoch wird diese Maßnahme bevorzugt in Verbindung mit einer Formgebung zur Erzielung der oben näher angegebenen Biegefestigkeitsverteilung verwendet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Hohlwelle gemäß der Erfindung in Seitenansicht, teilweise im Längsschnitt und Fig. 2 die Hohlwelle nach Fig. 1 in Stirnansicht.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Hohlwelle weist an dem dargestellten Anschlußende 3 eine Wellenverzahnung 5 auf. Es ist angenommen, daß am anderen Wellenende 7 eine ähnliche Anschlußverbindung vorgesehen ist. Die Längsmitte der Welle ist mit der strichpunktierten Linie 10 wiedergegeben. Die Null-Linie oder die theoretische Drehachse der Welle ist mit 11 angedeutet.
  • Die äußere Umfangsfläche 6 der Welle 1 kann mit Ausnahme der Anschlußenden gleichbleibenden Durchmesser aufweisen. Im dargestellten Beispiel variiert der Außendurchmesser, sei es aus konstruktiven Gründen, sei es zu dem Zweck, in Verbindung mit weiteren Maßnahmen, z.B. Verrippungen, die Eigenschwingungszahl der Welle zu erhöhen. Die Welle 1 ist als Hohlwelle ausgebildet.
  • Die lichte Weite 9 der Hohlwelle variiert über die Länge 12 der Hohlwelle in vorbestimmter Weise. Diese Variation der lichten Weite bezweckt eine entsprechende Anderung der Wanddc ke 2 der Hohlwelle, und zwar ebenfalls in vorbestimmter Weise über die Länge der Welle. Man erkennt, daß in dem Querschi t 13, der dem Anschlußende 3 näherliegt, die lichte Weite 9 kleiner und die Wanddicke 2 größer sind als in der mehr der Längsmitte 10 zugewandten Querschnittsstelle 14.
  • Die Biegesteifigkeit wird durch das Produkt aus dem Elastizitätsmodul des Materials und dem Trägheitsmoment des betreffenden Querschnittes bezüglich der Null-Linie oder Achse der Welle bestimmt.
  • Die Biegelinie ergibt sich aus einer Differentialgleichung zu: Y" = - M(s) EI In dieser Gleichung ist M(s) das Biegemoment in Abhängigkeit von der Querschnittsstelle der Welle und y die Auslenkung der Biegelinie an der Stelle s.
  • Um die Entstehung geräuscherzeugender Schwingungen in der Hohlwelle weitgehend zu unterbinden, wird die Hohlwelle so gestaltet, daß die Biegefestigkeit in jedem Querschnitt gleich ist, d.h. daß die Biegelinie sich einer Geraden annähert. Dies wird durch entsprechende Anpassung der Wanddicke der Hohlwelle ggf. in Verbindun mit einer angepaßten Anderung des Außendurchmessers über die Länge der Welle erreicht.
  • Als Kontinuum haben Hohlwellen mit konstantem Querschnitt Aq und konstanter Biegesteifigkeit E I aus einem nicht dämpfungsfähigen Werkstoff, wie Stahl, unendlich viele Biegeschwingungsformen und Biegeeigenfrequenzen. Dabei gilt für die Kreisfrequenz der ungedämpften Eigenschwingungen = Eigenschwingungszahl der Welle, wobei: A = Faktor für die Einspannbedingungen, I = Trägheitsmoment, E = Elastizitätsmodul des Werkstoffes, g = Werkstoffdichte und s = Länge der Welle ist.
  • Die Länge s von Gelenkwellen ist z.B. durch die Fahrzeugkonstruktion vorgegeben und hauptverantwortlich für die zu niedrigen Eigenfrequenzen von Wellen, da sie zur 4. Potenz im Nenner der Gleichung für r e eingeht. Insbesondere bei Fahrzeugen mit quergestelltem Motor auf der angetriebenen Achse ist eine der beiden Antriebswellen besonders lang. Bekannt ist, daß von zwei gleich-langen Wellen aus dem gleichen Material diejenige akustisch besser, d.h.
  • also leiser, ist, die eine höhere Eigenfrequenz besitzt. Damit vereinfacht sich obige Formel auf den Ausdruck als Vergleichsgröße zweier gleichlanger Wellen.
  • Da in I der Durchmesser der Welle zur 4. Potenz eingeht, sind Durchmesservergrößerungen zur Erhöhung der Eigenfrequenz von Wellen ebenfalls sinnvoll.
  • Die Hohlwelle läßt sich besonders einfach durch Gießen mit einem entsprechend profilierten Gießkern herstellen.
  • Dabei wird als Gußwerkstoff vorzugsweise ein solcher mit besonders hohem Dämpfungsvermögen für Körperschall verwendet. Dazu gehören insbesondere graphithaltige Eisengußwerkstoffe, vornehmlich Temperguß, mit Magnesium behandelter Temperguß oder Gußeisen mit Kugelgraphit.
  • Die Profilierung an den Anschlußenden 3 und 7 kann auf dem Gießwege gleich mithergestellt werden5 so daß die Hohlwelle nur einer geringen Nachbearbeitung bedarf. Die hochverschleißfesten Stellen der Hohlwelle, insbesondere die Anschlußenden 3 und 7, lassen sich dabei auf einfache Weise durch Behandlung nach einem Brenn-oder Induktionshärteverfahren verschleißfest gestalten. Dabei lassen sich beliebige Härten zwischen HRC 38 und HRC 62 einstellen.
  • Zweckmäßigerweise wird die Gußhaut auf der Welle belassen, um so einen natürlichen inneren und äußeren Korrosionsschutz zu bilden.
  • Die neue Hohlwelle ist in der Herstellung wesentlich einfacher und billiger, als es bei den durch komplizierte Umform- und Zerspanungstechniken hergestellten Wellen der Fall ist. Die n;h der Erfindung hergestellte Hohlwelle ist in wesentlich geringerem Maße Quelle von Körperschallwellen. Wird die Hohlwelle aus den bevorzugten Gießwerkstoffen hergestellt, werden etwaig entstehende Körper schallwellen außerordentlich stark im Werkstoff selbst gedämpft, so daß die Schwingungen zumeist die Anschlußstellen oder die Lager der Welle nicht mehr erreichen. nie Herstellung der Welle gestaltet sich auch durch das einfache Härtungsverfahren wesentlich einfacher als bisherige vergleichbare Wellen. Hinzukommt die hohe Wirksamkeit des Korrosionsschutzes ohne besondere Nachbehandlung.
  • Da aufgrund der beschriebenen Maßnahmen die Schwingungen der Welle außerordentlich klein gehalten werden können, ist nicht nur die Weiterleitung der Körperschallschwingungen, sondern auch die Schwingungsabstrahlung wesentlich verringert. Durch Verwendung einer Hohlwelle mit den beschriebenen Merkmalen wird ein wesentlicher Beitrag zur Geräuschminderung geleistet.

Claims (5)

  1. Ansprüche fi Hohlwelle, insbesondere Kardan- oder Gelenkwelle für Kraftfahrzeuge, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Erhöhung der Eigenschwingungszahl der Welle Wanddicke (2) und/oder Außendurchmesser (4) über die Länge (12) der Welle zwischen ihren Einspannpunkten (3,7) im Querschnitt (13,14) so bemessen sind, daß die Biegefestigkeit der Welle in jeder Querschnittsebene etwa gleich ist und die Biegelinie sich einer Geraden nähert.
  2. 2. Hohlwelle nach Anspruch 15 d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß sie aus einem graphithaltigen Eisengußwerkstoff, insbesondere aus Gußeisen mit Kugelgraphit oder - ggf. mit Magnesium behandeltem - Temperguß besteht.
  3. 3. Hohlwelle nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Anschlußabschnitt an wenigstens einem Ende, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Anschlußprofil (5) im wesentlichen durch Gießen hergestellt ist.
  4. 4. Hohlwelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Oberfläche wenigstens im Bereich der Anschlußstellen (3,7) auf dem Wege der Brenn- oder Induktionsbehandlung gehärtet ist
  5. 5. Hohlwelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Variation der Wanddicke (2) über die Wellenlänge (12) durch Variation der lichten Weite (9) der Hohlwelle mit Hilfe eines entsprechend profilierten Gießkerns vorgesehen ist.
DE19782855487 1978-12-22 1978-12-22 Hohlwelle Withdrawn DE2855487A1 (de)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2478232A1 (fr) * 1980-03-11 1981-09-18 Loehr & Bromkamp Gmbh Arbre articule pour vehicules automobiles
DE4027296A1 (de) * 1990-08-29 1992-03-12 Gkn Automotive Ag Antriebswelle mit zusatzmassen
US5499936A (en) * 1995-01-12 1996-03-19 Outboard Marine Corporation Monolithic metallic drive shafts which are resistant to corrosion and wear
EP1262671A1 (de) * 2001-05-28 2002-12-04 Ntn Corporation Kraft übertragende Antriebswelle

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