-
/ "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.