DE3240762A1

DE3240762A1 - Antriebswelle der hinter- oder vorderraeder eines kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE3240762A1
Application number: DE19823240762
Authority: DE
Inventors: Alexander A. 48120 Dearborn Mich. Galaniuk; Georg W. 48188 Canton Mich. Somborn
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1981-11-05
Filing date: 1982-11-04
Publication date: 1983-05-19
Also published as: DE3240762C2; JPS5885723A; GB2108630A; CA1189333A; GB2108630B

Description

Die in Kraftfahrzeugen für den Antrieb der Hinter- oder Vorderräder in einer eine Drehmomentübertragung erlaubenden Anordnung zwischen dem durch den Antriebsmotor angetriebenen Fahrzeuggetriebe und einem Differentialgetriebe bis jetzt verwendeten Antriebswellen sind in der Regel als zylindrische Rohre ausgebildet, deren axiale Enden für die Befestigung je eines Universalgelenkes gestaucht sind. Die Abmessungen dieser Rohre sind dabei abhängig von dem bei dem jeweiligen Kraftfahrzeug maximal zu übertragenden Drehmoment und der maximalen Drehzahl/ wobei sich für diese Rohre ein Mindestdurchmesser in Abhängigkeit von dem kritischen Drehzahlbereich der Antriebswelle ergibt, in welchem die Antriebswelle brechen würde. Dieser kritische Drehzahlbereich, der mithin höher liegt als die maximale Drehzahl der Antriebswelle, wird als eine Funktion des Trägheitsbiegemoments der Antriebswelle berücksichtigt, das bei einem an seinen beiden axialen Enden abgestützten Rohr in der axialen Mitte seinen größten Wert aufweist. Es kann daher umgekehrt für die Biegesteifigkeit eines solchen zylindrischen Rohres davon ausgegangen werden, daß sich diese Biegesteifigkeit von den beiden axialen Enden gegen die axiale Mitte des Rohres verringert, so daß die in der axialen Mitte vorherrschende minimale Biegesteifigkeit die eigentliche Berechnunqsgrundlage für die Abmessungen solcher Antriebswellen ergibt.

Die bekannten Antriebswellen der Hinter- oder Vorderräder eines Kraftfahrzeuges, deren Abmessungen mit dieser Berechnungsgrundlage berechnet werden, weisen daher ein unerwünscht hohes Eigengewicht auf, weil sie wegen ihres gleichen, für die axiale Mitte berechneten Mindestdurchmessers, an den axialen Enden, die durch ihre Abstützung eine

höhere Biegesteifigkeit aufweisen, mithin entsprechend überdimensioniert sind. Mit der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Erfindung wird folglich eine Lösung der Aufgabe vermittelt, wie das hqher^e Eigengewicht dieser bis jetzt für die Hinter- oder Vorderräder eines Kraftfahrzeuges verwendeten Antriebswellen unter Einhaltung desselben Sicherheitsfaktors verringert werden kann.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile liegen mithin im wesentlichen darin, daß eine solche Verringerung des Eigengewichts der Antriebswelle der Hinter- oder Vorderräder eines Kraftfahrzeuges damit erreicht wird, daß anstelle eines zylindrischen Rohres'jetzt ein so doppelkegelig verformtes Rohr verwendet wird, daß für die axiale Mitte entsprechend dem dort vorherrschenden größten Biegemoment ein größter Durchmesser erhalten und dieser größte Durchmesser zu den beiden axialen Enden hin auf einen Mindestdurchmesser verringert wird. Weil sich andererseits die Biegesteifigkeit eines solchen Rohres zu den beiden axialen Enden hin vergrößern muß, ist es mit einer entsprechenden Verringerung der Wanddicke von den beiden axialen Enden hin zu der axialen Mitte möglich, damit die angestrebte nennenswerte Verringerung des Eigengewichts der Antriebswelle unter Einhaltung eines gleichen Sicherheitsfaktors bezüglich der maximalen Festigkeit zu erhalten.

Aus der ÜS-PS 3 659 434 ist eine ähnliche Antriebswelle der Hinter- oder Vorderräder eines Kraftfahrzeuges bekannt, bei der aber die beiden axialen Enden gestaucht sind und jeweils über einen axial relativ kurzen kegeligen Abschnitt in einen langer ausgeführten zylindrischen Mittelabschnitt übergehen. Außerdem ist der Hohlraum dieser Antriebswelle mit Polyurethan ausgeschäumt, so daß für diese bekannte Antriebswelle keine Vergleichsbasis mit der im übrigen auch wesentlich einfacher hör /,us toi landen Antriebswelle· q der Erfindung besteht.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise auseinandergezogene

Perspektivansicht der gesamten Anordnung einer Antriebswelle der Hinteroder Vorderräder eines Kraftfahrzeuges,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zum Her

stellen der Antriebswelle gemäß Fig.1 geeigneten Form,

Fig. 3 bis 8 den Längsschnitt der Form gemäß Fig.2

zur Veranschaulichung der einzeln aufeinanderfolgenden Formgebung eines hohlzylindrischen Metallrohres mittels mehrerer elastisch verformbarer Druckkörper bei der Fertigstellung der Antriebswelle gemäß Fig.1,

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenan

sicht der Antriebswelle gemäß Fig.1 zur näheren Darstellung des parabolischen Oberflächenverlaufs,

Fig. 10 eine Schemadarstellung zur näheren Er

läuterung dieses parabolischen Oberflächenverlaufs der Antriebswelle gemäß Fig. 1,

Fig. 11 eine Seitenansicht der Antriebswelle

gemäß einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 12 und 13 Schemadarstellungen zur näheren Erläuterung des parabolischen Oberflächenverlaufs der Antriebswelle gemäß weiterer Ausführungsformen.

Die Antriebswelle 10 gemäß den Fig.1 und 9 besteht aus einem doppelkegelig ausgebildeten Rohr 11, an dessen vorderes Ende 12 ein Joch 14 angeschweißt ist. Das Joch 14 bildet mit einem weiteren Joch 18 ein Universalgelenk 16, über das die Antriebswelle mit dem Flansch 21 eines Fahrzeuggetriebes 20 verbunden werden kann. Auch an das hintere Ende 22 der Antriebswelle 11 ist ein entsprechendes Joch 24 zur Bildung eines zweiten Universalgelenks 26 gemeinsam mit einem Joch 28 angeschweißt, dessen Wellenstumpf 29 in den Flansch 31 eines Differentialgetriebes 30 einsteckbar ist.

Der sich zwischen den beiden axialen Enden 12 und 22 erstrekkende doppelkegelige Verlauf 34 des Rohres 11 weist einen größten Durchmesser in der axialen Mitte 32 auf, von der aus sich also dieser größte Durchmesser zu den axialen Enden hin allmählich verringert, so daß sich an den Stellen 36 und 38 ein übergang zu den zylindrisch ausgeführten axialen Enden 12 und 22 ergibt. Das Rohr 11 weist in jeder Querschnittsebene längs seiner Achse einen Kreisdurchmesser auf. Der doppelkegeiige Verlauf 34 ist dabei unter Hinweis auf die Fig.9 und 10 durch die Drehung einer Parabel 40 um die Achse des Rohres 11 festgelegt, deren Spitze mit der axialen Mitte 32 zusammenfällt. Außerdem schneidet diese Parabel 40 die Achse des Rohres 11 an den beiden Stellen 46 und 48, die in den senkrecht zu der Achse des Rohres verlaufenden Ebenen 42 und 44 liegen. Diese Ebenen 42 und 44 sind festgelegt durch die Anschlagflächen der Befestigungsflansche 21 und 31 für die Universalgelenke 16 und 26. In Anpassung an diesen parabolischen Oberflächenverlauf, der sich also zwischen den Stellen 36 und 38 erstreckt, weist das Rohr 11 weiterhin eine größte Wanddicke an den beiden axialen Enden 12 und 22 und eine kleinste Wanddicke in der axialen Mitte 32 auf, womit sich diese fortschreitend ändernde Wanddicke als eine Umkehrfunktion des sich längs der Rohrachse ändernden kreisförmigen Querschnitts darstellt. Der doppelkegelige Verlauf 34 des Rohres 11 kann alternativ auch durch eine Parabel 56 festgelegt werden, deren Spitκο dabei wiederum mit der axialen

Mitte 32 zusammenfällt, die aber die Aohae des Rohres nicht an den Stellen 46 und 48 sondern vielmehr an den Stellen und 58 schneidet, die in den Stirnebenen des Rohres liegen und damit für eine Messung wegen der folglich bestehenden Unabhängigkeit von einer Messung des Abstandes der beiden Anschlagflächen 42 und 44 entsprechend einfacher festlegbar sind. Bei den beiden Parabeln 40 und 56 ergibt sich aber für die übergänge 36 und 38 zu den zylindirschen Enden 12 und 22 ein größerer Durchmesser als er an diesen Übergängen durch die jeweilige Parabel jeweils unmittelbar bestimmt wird.

Für eine zweite Ausführungsform des Rohres 11a ist in Fig.11 gezeigt, daß hier der Verlauf der Parabel 40 auch so gewählt werden kann, daß sich die Schnittpunkte mit der Achse des Rohres 11a an den Stirnflächen der Universalgelenke ergeben, die eine Anschlagstellung an die Stirnflächen der Flansche 21 und 31 erfahren. Die Parabel 40 kann für eine weitere alternative Ausführungsform gemäße der Darstellung in Fig.12 das Rohr 11b auch an den Stellen 50 und 51 schneiden, die zwischen der axialen Mitte .32b und dem ,übergang 36b zu dem axialen Ende 12 angeordnet sind. In diesem Fall ergeben sich für den doppe!kegeligen Verlauf der Oberfläche des Rohres 11b ein zwischen diesen beiden Schnittpunkten 50 und 51 sich radial innerhalb der Parabel 40 erstreckender Bereich 53 sowie zwei Teilbereiche 54 und 55, die radial außerhalb der Parabel 40 liegen. Bei dem Rohr 11c in der Ausführungsform gemäß Fig.13 ist der Verlauf der Parabel 40 schließlich so gewählt, daß sich hier an einer zwischen dom übergang 36 und der axialen Mitte 32c gelegenen Stelle 45 ein Schnittpunkt mit der doppelkegeligen Oberfläche 34c ergibt, so daß zu beiden Seiten dieses Schnittpunktes 45 Bereiche 47 und 49 der Parabel 40 radial außerhalb und radial innerhalb der doppelkegeligen Oberfläche 34c liegen.

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Mit allen diesen möglichen Varianten des Verlaufs der Parabeln 40 und 56 kann eine beträchtliche Gewichtsverringerung für derartige Antriebswellen unter Einhaltung eines gleichen Sicherheitsfaktors bezüglich der kritischen Drehzahl und des maximal zu übertragenden Drehmoments im Vergleich mit den herkömmlichen Antriebswellen erreicht werden, die als zylindrische Rohre mit einem gleichen Durchmesser über die gesamte Axiallänge ausgeführt waren. Dabei wird für jede axiale Querschnittsebene der Antriebswelle eine gleiche Biegesteifigkeit eingehalten, so daß sich folglich trotz eines solchen verringerten Eigengewichts keine Wertänderung über die gesamte Axiallänge ergibt. Es ist daher auch möglich, bei längeren Antriebswellen auch auf ein mittiges Stützlager zu verzichten, die bei den seitherigen Antriebswellen oft benötigt wurden, um damit hinsichtlich der Beherrschung dieser Kriterien eine genügende Festigkeit für die Antriebswelle zu erhalten .

Für die Herstellung einer Antriebswelle' gemäß einer der vorbeschriebenen Äusführungsformen wird ein hohlzylindirsches Metallrohr 61 in einer ,hohlen Form 60 angeordnet, die aus zwei mittels Flanschen 66 aneinander geflanschten Formteilen 62 und 64 besteh!:. Der Hohlraum 68 dieser Form 60 ist durch eine doppelke<jelige Innenwand 70 begrenzt, deren Formgebung an den doppulkegeligen Verlauf 34 der fertigen Antriebswelle angepaßt ist und die in zylindrische Endabschnitte 72 übergeht, die ihrerseits an die Formgebung der axialen Enden 12 und 22 unter Beachtung der übergänge 36 und 38 an den doppe!kegeligen Verlauf 34 der fertigen Antriebswelle angepaßt sind. An die offenen Enden 73 der beiden Formteile 62 und 64 sind außerdem Hydraulikzylinder 75 angeflanscht, die je einen axial verschieblichen Doppelkolben 74 aufnehmen. Nachem das Metallrohr 61 nach der Entfernung eines dieser Hydraulikzylinder 75 in den Hohlraum 68 der Form 80 bis zum Anschlag an den anderen Hydraulikzylinder eingeschoben ist und dabei

dann dessen Doppelkolben 74 eine axiale Zentrierung des Metallrohres 61 unterstützt, wird über das gleiche offene Ende ein erstes elastisches Druckstück 76 im wesentlichen in der axialen Mitte des Metallrohres angeordnet und dann die Form mit dem zuerst abgenommenen Hydraulikzylinder wieder verschlossen. Gegen dieses Druckstück 76, das eine gegenüber dem doppelkegeligen Verlauf 34 der fertigen Antriebswelle wesentlich kürzere axiale Länge hat, werden dann dio beiden Doppelkolben 7'4 synchron vorgeschoben, so daß das Druckstück 76 gemäß der Darstellung in Fig.4 eine elastische Verformung erfährt und dadurch das Metallrohr 61 in einem mittigen Bereich 78 radial ausgebeult wird. Bei dieser anfänglichen radial Ausbeulung des Metallrohres 61 findet noch keine Berührung mit der formgebenden Innenwand 70 der Form 60 statt.

Nach dieser ersten Verformung des Metallrohres 61 werden die beiden Doppelkolben 74 wieder in ihre Ausgangsstellung zurückgezogen, und es wird dann nach der Abnahme des einen Hydraulikzylinders und der Entfernung dieses ersten, dann wieder in seine zylindrische Form ζurückverformten Druckkörpers 76 ein xweiter längerer Druckkörper 80 wiederum in der axialen Mitte des Metallrohres angeordnet, das dann wiederum für ein radiales Ausbeulen des Metallrohres durch die beiden DoppelkoJben elastisch verformt wird. Mit diesem eine Zwischenlänge bezüglich des doppelkegeligen Verlaufs 34 der fertigen Antriebswelle aufweisenden zweiten Druckstück 80 wird jetzt das Metallrohr 61 entsprechend der Darstellung in Fig.6 so weit radial ausgebeult, daß zunächst der zuvor ausgebeulte Bereich 78 jetzt eine Anlage an die formgebende Innenwand 70 der Form 60 erfährt und auch die axial anschließenden Bereiche in eine so weitreichende Berührungsstellung mit der Innenwand 70, kommen, daß bei einer anschließend letzten Verformung mittels eines dritten Druckkörpers 82, der eine gegenüber dem doppelkegeligen Verlauf der fertigen Antriebswelle größere Axiallänge aufweist, dann

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das Metallrohr 61 entsprechend der Darstellung in Fig.8 seine fertige Formgebung erhalten kann. Bei dieser Fertigstellung erfahren die beiden axialen Enden 72 des Metallrohres 61 keine Verformung, indem das Metallrohr mit Abmessungen gewählt ist, welche bereits den Abmessungen der beiden axialen Enden 12 und 22 der fertigen Antriebswelle entsprechen. Wenn daher jetzt das entsprechend der Darstellung in Fig.8 fertig geformte Rohr 11 der Form 60 nach dem_Lösen der Flanschverbindung zwischen den beiden Formteilen entnommen wird, dann müssen die beiden axialen Enden 72 nur noch mit den beiden Universalgelenken 16 und 26 versehen werden, um damit die einbaufähige Antriebswel le zu erhalten.

Die einzelnen Druckkörper 76,80 und 82 bestehen vorzugsweise aus Urethan. Wenn das fertige Rohr 11 der Antriebswelle eine Länge von etwa 150 bis 175 cm aufweisen soll, dann sollte der erste Druckkörper 76 eine Länge von etwa 15 cm haben, während der,zweite Druckkörper 80 dann eine Länge hat, die etwa der halben Länge des doppelkegeligen Verlaufs 34 entspricht. Durch die Formgebung des Metallrohres 61 unter Verwendung solcher Druckkörper ist dann auch sichergestellt, daß sich die Wanddicke des fertigen Rohres 11 fortschreitend derart ändert, daß die größte Wanddicke an den beiden axialen Enden und die kleinste Wanddicke in der axialen Mitte erhalten wird. Durch die Verwendung mehrerer Druckkörper für dje Formgebung des fertigen Rohres 11 ist dabei im übrigen sichergestellt, daß sich bei dieser Formgebung keine Risse bilden und außerdem keine übermäßigen Spannungen orzeugt werden.

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Claims

32k0762 Patentansprüche

1. Antriebswelle der Hinter- oder Vorderräder eines Kraftfahrzeuges, gekenn z- eic h η e t durch ein doppe!kegelig ausgebildetes Rohr (11), das seinen größten Durchmesser in der axialen Mitte (32) und den kleinsten Durchmesser an oder nahe den beiden axialen Enden (12,22) aufweist, zwischen denen sich der doppeIkegeIige Verlauf (34) des Rohres im wesentlichen kontinuierlich erstreckt.

2. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr (11) eine sich fortschreitend ändernde Wanddicke aufweist.

3. Antriebswelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr (11) an den beiden axialen Enden (12,22) die größte Wanddicke und in der axialen Mitte (32) die kleinste Wanddicke aufweist.

4. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr (11) im wesentlichen über seine gesamte Länge einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

5. Antriebswelle nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekenn ζ e i ehne t, daß sich die Wanddicke des Rohres (11) als eine Umkehrfunktion des sich längs der Rohrachse fortschreitend ändernden kreisförmigen Querschnitts ändert.

6. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der doppeIkegeIige Verlauf (34) des Rohres (11) ciinen im wesentlichen parabolischen Oberfläehenverlauf aufweist, wobei die einen solchen Verlauf der Oberfläche des Rohres als ein Drehkörper bestimmende Parabel (40,56) mit ihrer Spitze im wesentli-

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chen in der axialen Mitte (32) des Rohres liegt und dessen Drehachse noch nahe den beiden axialen Enden (12,22) schneidet.

7. Antriebswelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden axialen Enden (12,22) im übergang (36,38; 57,58) zu dem doppelkegeligen Verlauf (34) des Rohres (11) einen Querschnitt mit einem gegenüber dem durch die Parabel (40,56) bestimmten Durchmesser größeren Durchmesser aufweisen.

8. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden axialen Enden (12,22) des Rohres (11) zylindrisch ausgebildet sind und eine gleiche Wanddicke aufweisen.

9. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden axialen Enden (12,22) des Rohres (11) für die Befestigungsmöglichkeit, insbesondere für eine Steckverbindung, je eines einer Drehmomentübertragung dienlichen Teils, wie eines Universalgelenks (14,24), ausgebildet sind.

10. Verfahren zum Herstellen einer Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohlzylindrisches Metallrohr (61) mittels einer hohlen Form (60) verformt wird, die eine der Formgebung des Metallrohres dienende und der Oberfläche der fertigen Antriebswelle angepaßte doppelkegelige Innenwand (70) mit einem in ihre^r axialen Mitte befindlichen größten Durchmesser und einem kleinsten Durchmesser an oder nahe der beiden axialen Enden des Hohlraumes (68) der Form aufweist, und daß das Metallrohr (61) für die Formgebung der fertigen Antriebswelle (11) mittels eines durch axial gegeneinander ausgerichtete Druckkräfte elastisch verformbaren und anfänglich in der axi-

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alen Mitte des Metallrohres angeordneten Druckkörpers (76,80,82) bis zur bleibenden Anlage an der Innenwand (70) der Form (60) radial ausgebeult wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Formgebung des Metallrohres (61) wenigstens zweistufig unter Verwendung von zwei
unterschiedlich langen Druckkörpern (76,80,82) vorgenommen wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch
gekennzeichnet , daß der für eine dabei
anfänglich unvollständige Formgebung des Metallrohres (61) zuerst verwendete Druckkörper (76) eine gegenüber dem Doppelkegel der Innenwand (70) wesentlich kürzere Axiallänge aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß der für die vollständige Formgebung des bereits teilweise verformten Metallrohres (61) zuletzt verwendete Druckkörper (82) eine gegenüber dem Doppelkegel der Innenwand (70) größere Axiallänge aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallrohr (61) einen mit den beiden axialen Enden (12,22) der fertigen Antriebswelle übereinstimmenden Innen- und Außendurchmesser aufweist.