DE3318449C2

DE3318449C2 - Gelenkwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3318449C2
Application number: DE3318449A
Authority: DE
Inventors: Michel Alexandre Dr. Conflans-Sainte-Honorine Orain
Original assignee: Glaenzer Spicer SA
Current assignee: Glaenzer Spicer SA
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1983-05-20
Publication date: 1985-09-19
Also published as: FR2527718B1; JPS58214418A; GB2122959B; DE3318449A1; GB2122959A; FR2527718A1; US4518370A; GB8313627D0; IT8367581A0; IT1159009B; IT8353379V0

Abstract

Es stellt sich die Aufgabe, eine Gelenkwellen-Anordnung zu schaffen, die unter Beibehaltung der sich aus der DE-OS 2905453 ergebenden Vorteile auf einer vereinfachten baulich-konzeptionellen Konstruktion beruht und zudem eine geringere Baugröße zuläßt, um einen leichten Einbau in alle Kraftfahrzeuge mit Vorderradantrieb zu gestatten. Die Lösung dieser Aufgabe besteht im wesentlichen darin, daß die von der Gelenkwelle (6) und den mit dieser Welle verbundenen Teilen (16, 18, 20) der Gleichlaufgelenke (5, 7) gebildete Baugruppe um eine senkrecht zur Gelenkwelle liegende und durch den Schwerpunkt (G) der vorgenannten Baugruppe führende Achse ein Massenträgheitsmoment I ↓G aufweist, welches zumindest annähernd durch die Gleichung I ↓G = m h 1 definiert ist, wobei m die Masse der Baugruppe und h bzw. 1 den Abstand zwischen dem Mittelpunkt (A, B) des jeweiligen Gelenks und dem genannten Schwerpunkt (G) darstellen. Hierdurch läßt sich auf wirtschaftliche Weise eine wirkungsvolle Abkopplung der Radialschwingungen der Antriebswelle (4) beim radseitigen Gelenk erreichen.

Description

, + 3J(r/R)²

55

l_G= Massenträgheitsmoment der gesamten Baugruppe aus der Gelenkwelle, den Tripoden und den Rollen (28) um eine senkrecht zu dieser Welle liegende und durch den Schwerpunkt (G) führende Achse ist;

m = Masse dieser gesamten Baugruppe;

J = Massenträgheitsmoment einer Rolle um ihre Drehachse;

r = Abstand vom Mittelpunkt einer Rolle zur Gelenkwellenachse, und schließlich

R = Rollradius einer Rolle bzw. Kugelradius der Rolle.

Die Erfindung betrifft eine Gelenkwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, welche mittels Gleichlaufgelenken sowohl mit einer Antriebs- als auch mit einer Abtriebswelle verbunden ist.

Die in Kraftfahrzeugen zur Kraftübertragung vom Triebwerk auf die Antriebsräder verwendeten Gelenkwellen sind üblicherweise mit Gleichlaufgelenken versehen. Gelenke dieser Art weisen eine relativ leichte Verschiebbarkeit auf. Hierdurch werden die vom Triebwerk erzeugten Axialschwingungen abgekoppelt

Bekannterweise können aber Gleichlaufgelenke, mit welchen Gelenkwellen von Kraftfahrzeugen ausgerüstet werden, die Übertragung von Radialschwingungen der Antriebswellle vom Triebwerk zum Rad und zum Fahrzeugaufbau nicht verhindern. Die Ursache hierfür liegt begründet, daß alle diese mechanischen Gelenke radial starr sind, und daß ein Ausfiltern der Radialschwingungen eine radia'e Elastizität erfordert, welche mit der Übertragung eines größeren Drehmoments auf kleinem Raum nicht zu vereinbaren wäre.

In der DE-OS 29 05 453 wurde bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche aus zwei Gelenken mit relativ geringer Reibung sowie aus einem Stützlager für die Gelinkwelle besteht, wodurch eine wirkungsvolle dynamische Abkopplung der vom Triebwerk erzeugten Radialschwingungen bei allen Frequenzen bewirkt wird. Dizsc an sich überaus günstige Wirkung findet jedoch da ihre Grenzen, wo beispielsweise das Übertragen des Triebwerk-Drehmomentes auf die Vorderräder eines Kraftfahrzeuges über Seitenwellen erfolgt, weil der hierzu zur Verfugung stehende Bauraum zu klein ist.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gelenkwellen-Anordnung zu schaffen, die unter Beibehaltung der sich aus der DE-OS 29 05 453 ergebenden Vorteile auf einer vereinfachten baulich-konzeptionellen Konstruktion beruht und eine geringere Baugröße zuläßt, um letztlich einen leichten Einbau in alle Kraftfahrzeuge mit Vorderradantrieb zu gestatten.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die von der Zwischenwelle und den mit dieser Zwischenwelle verbundenen Teile der Gleichlaufgelenke gebildete Baugruppe eine derartige Massenverteilung besitzt, daß das Massenträgheitsmoment Iq um eine senkrecht zur Gelenkwelle liegende und durch den Schwerpunkt (G) dieser Baugruppe führende Achse mit geringstmöglicher Abweichung die Gleichung /₆· = m x A x / erfüllt, wobei m die Masse der Baugruppe und A bzw. /der Abstand zwischen den Mittelpunkten (A, B) der beiden Gelenke und dem Schwerpunkt (G) ist.

Weitere sinnvolle Ausgestaltungen dieses die vorliegende Erfindung tragenden Gedankens lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

Aus der insoweit vorgeschlagenen Lösung ergeben sich mannigfache Vorteile:

Die Gelenkwellen-Anordnung baut relativ klein. Sie läßt sich demgemäß leicht in alle Kraftfahrzeuge mit Vorderradantrieb einbauen. Darüber hinaus läßt sich die Anordnung auch ohne jegliche Schwierigkeiten für Längs- und/oder Seitenwellen von Kraftfahrzeugen mit Hinterradantrieb verwenden.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine in einem Kraftfahrzeug installierte Seitenwelle in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Seitenwelle nach Fig. 1 in schematischer Darstellung,

Fig. 3 einen Teilschnitt einer Seitenwellen-Variante

nach Fig. 2 in schematischer Darstellung,

Fig. 4 eine Detailansicht einer Seitenwelle entsprechend Fig. 1 bis 3, jedoch in vergrößertem Maßstab, und schließlich

Fig. 5 ein teilweise im Vertikalschnitt dargestelltes Detail einer Seitenwelle.

In Fig. 1 ist ein Triebwerk 1 dargestellt, welches vom Fahrgestell 2 eines Fahrzeugs mit Frontantrieb über Gummipuffer 3 getragen wird. An jeder Seite des Triebwerks 1 ist eine Getriebeabtriebswelle 4 quer angeordnet, welche über ein Gleichlaufgelenk 5 mit einer Gelenkwelle 6 verbunden ist. Diese wiederum ist über ein Gleichlaufgelenk 7 mit einem Achszapfen 8 verbunden, welcher ein lenkbares Rad 9 antreibt. Der Achszapfen 8 dreht sich in einem Achsschenkel 10, welcher über ein oberes und ein unteres Kugelgelenk 11,12 am äußeren Ende von zwei entsprechenden Querlenkern 13,14 schwenkbar gelagert ist, deren inneres Ende seine gelenkige Befestigung am Fahrgestell 2 bat. Zwischen dem oberen Querlenker 13 und dem Fahrgestell 2 ist eine Aufhänge- und Federungsvorrichtung 15 eingebaut. Das Gelenk 5 ist als Verschiebe- bzw. Teleskop-Gelenk ausgebildet, während das Gelenk 7 ein Fest-Gelenk ist, d. h. ein Gelenk mit axialer Sicherung und großem Beugewinkel.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann das Gelenk 5 beispielsweise ein Tripode-Verschiebegelenk, welches aus einer Tripode 16 ufld einer Tulpe 17 besteht, und das Gelenk 7 ein Rzeppagelenk sein, welches aus einer Innennabe 18 und £>ner Außennabe 19, einer Vielzahl umfangsverteilter, v<>n einem Käfig gehaltener Kugeln 20 sowie einer Gloc-'ke 21 besteht.

Im Beispiel von Fig. 2 besteht die Welle 6 aus einem Rohr 22, welches an jedem Ende mit einem Anschluß 23 mit y-formigem Querschnitt versehen ist. Dieser Anschluß besteht aus einer Schale 24, an deren Boden ein Profilwellenzapfen 25 hervorragt. Der Rand der Schale 24, an deren Boden ein Profilwellenzapfen 25 hervorragt, ist am entsprechenden Ende des Rohres 22 befestigt.

Die Tripode 16 nach Fig. 3 besteht aus einer Nabe 26, von welcher drei Zapfen 27 im Winkelabstand von 120° zueinander radial ausgehen. Auf jedem dieser Zapfen dreht und gleitet über ein Nadellager 29 eine außen kugelförmig-ballig ausgebildete Rolle 28. Die Tulpe 17 besteht aus einem an der Welle befestigten Schaft 30 und drei axial ausgerichteten Blättern 31. Zwischen den Tulpenblättern 31 sind drei Rollbahn-Paare 32 ausgespart, wobei jede Rolle 28 in einem dieser Rollbahnpaare aufgenommen ist. Die Nabe 26 weist innen ein Profil auf, welches der Zusammenarbeit mit dem entsprechenden Wellenzapfen 25 dient. Sie wird axial durch (nicht dargestellte) Seeger-Ringe auf diesem Wellenzapfen gesichert.

Die Innennabe 18 des Gelenks 7 weist in ihrem Inneren ferner auch ein Profil auf und wird axial auf dem anderen Wellenzapfen 25 gesichert, während die Außennabe 19 mit der am Achszapfen 8 befestigten Glocke 21 fest verbunden ist.

Die Axialschwingungen (Fig. 1, Pfeil f) der Antriebswelle 4 werden durch die relativ leichtgängige Verschiebbarkeit des Tripodegelenks 5 wirkungsvoll ausgefiltert. Sie übertragen sich deshalb nicht auf die Welle 6. Demhingegen werden bei konventionellen Anordnungen die vom Triebwerk 1 ausgehenden hochfrequenten Radialschwingungen (Fig. 1, Pfeil F) infolge der Masse und der Starrheit der Welle 6 vom Gleichlaufgelenk 5 zum radseitigen Gleichlaufgelenk 7 dynamisch übertragen und gelangen über den Achszapfen 8, den Achsschenkel 10 und die Querlenker 13 und 14 zum Fahrgestell 2. Ein Teil der Schwingungen kann außerdem über die (nicht dargestellte) Lenkung bis zum ebenfalls (nicht dargestellten) Lenkrad weitergeleitet werden.

Die vorliegende Erfindung sieht demgegenüber Maßnahmen vor, welche verhindern, daß die Radialschwingungen den Achszapfen 8 erreichen. Diese Maßnahmen bestehen im einzelnen darin, daß die von der Welle 6 und den sie tragenden Teilen gebildete Baugruppe um eine senkrecht zur Welle 6 liegende und durch den Schwerpunkt G der Baugruppe führende Achse ein Massenträgheitsmoment I₀ aufweist, welches der Gleichung

entspricht, wobei m die Masse dieser Baugruppe und h bzw. / den Abstand zwischen den Mittelpunkt A und B der Gelenke 4 und 7 und dem Schwerpunkt G darstellt. Die zur Berechnung von I_G für die Masse m zu berücksichtigenden Teile sind zum einen das Rohr 22 und die Anschlüsse 23, zum anderen die Tripode 16 mit ihren Rollen 28, welche gegenüber der Welle 6 als feststehend betrachtet werden, sowie schließlich die Innennabe 18 mit den im Käfig geführten Kugeln 20 des Rzeppa-Geienks 7.

Für die Kugeln 20 und den Käfig des Rzeppa-Gelenks 7, welche sich in einem Winkel bewegen, welcher der Hälfte des Beugewinkels des Gelenks entspricht, kann für l_c die Hälfte des Massenträgheitsmoments, welches diese Teile haben wurden, wenn sie gegenüber der Welle 6 feststehen würden, berücksichtigt werden.

In der Praxis werden die Werte von /; und / im allgemeinen als erste Approximation errechnet und anschließend auf dem Prüfstand genau ermittelt, indem die Tripode 16 und die Nabe 18 leicht verschoben werden, bis eine vollständige Abkopplung der Schwingungen am Gelenk 7 erreicht wird. Dies gibt die Lage der an den Wellenzapfen für die Seeger-Ringe vorzusehenden Nuten an, um die Tripode 16 und die Nabe 18 axial zu sichern.

Durch die oben schon erwähnte Gleichung werden nämlich die im Mittelpunkt eines der beiden Gelenke erzeugten Radialschwingungen im Mittelpunkt des anderen Gelenks unterdrückt. Somit erhält man eine dynamische Abkopplung der Radialschwingungen der Antriebswelle 4 am Festgelenk 7. Umgekehrt werden die radialen Stoßschwingungen des Rades, z. B. auf Straßenpflaster, nicht auf das Triebwerk übertragen.

Die Variante nach Fig. 3 unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform dadurch, daß das Rzeppa-Gelenk 7 durch ein axial feststehendes Trtpodegelenk IA ersetzt wird. Dieses Gelenk IA besteht aus einer der Tripode 16 entsprechenden Tripode 18/4 mit auf Nadeln gelagerten Rollen und einer am Achszapfen 8 befestigten Glocke oder Tulpe 21 A. Jede Rolle wird zwischen zwei Rollbahnen 33 mit bogenförmiger Mittelkurve der Glocke 21 aufgenommen. Die Nabe derTripodel8 A weist innen ein Profil auf und kann axial durch (nicht dargestellte) Seeger-Ringe auf dem entsprechenden Wellenzapfen 25 gesichert werden.
C:: Gleichung /,, = m ■ h ■ ι stimmt immer noch im Ansatz, wobei m hier die Masse der Welle 7 und der beiden mit ihren Rollen ausgestatteten Tripoden 16 und 18 A bezeichnet.
Bei einer kurzen Welle 6 stellt allerdings diese Formel

wegen des Einflusses der Massenträgheit der Rollen um ihre eigene Drehachse keine ausreichende Approximation dar. So erhält man bei Gelenkwellen mit zwei Tripodegelenken, deren Tripoden mit der Zwischenwelle fest verbunden sind, die dynamische Abkopplung der Radialschwingungen, wenn folgende Gleichuna zutrifft:

(4)

wobei

IO

/_c = Massenträgheitsmoment der gesamten Bau- is gruppe aus der Gelenkwelle, den Tripoden und den Rollen um eine senkrecht zu dieser Welle 6 liegende und durch den Schwerpunkt (G) führende Achse ist;

m = Masse dieser gesamten Baugruppe;

J = Massenträgheitsmoment einer Rolle um ihre Drehachse;

r = Abstand vom Mittelpunkt einer Rolle zur Gelenkwellenachse, und

R = Rollradius einer Rolle bzw. Kugelradius der Rolle.

Durch diese Anordnung, bei welcher die Massenträgheit der Rollen um ihre Achse berücksichtigt ist, wird eine vollständige Abkopplung der Schwingungen ohne vorhergehende Meßversuche ermöglicht. Zu bemerken ist, daß sie zu einem größeren Abstand zwischen den Tripoden führt als bei der vereinfachten Formel

/_f,· = m ■ h ■ 1,

die man übrigens wiedererhält, wenn J = O gesetzt wird.

Durch die Anordnungen entsprechend Fig. 2 und 3 kann die genannte Gleichung auf wirtschaftliche Weise erhalten werden, da der Innenraum der Schalen 24 der Anschlüsse 23 die Schwerpunkte dieser Anschlüsse weit genug vom Punkt G wegrückt. Dies wird durch die Art und Weise ermöglicht, auf die die Innenelemente 16,18,18 A der beiden Gelenke auf den Wellenzapfen 15 angebracht sind, wobei diese gegebenenfalls auf einer geeigneten Länge α bzw. b aus diesen Teilen herausragen können (Fig. 3).

Um die Gleichung l_a = m ■ h ■ 1 einzuhalten, muß außerdem in der Praxis das Verbindungsrohr so leicht wie möglich sein und zugleich eine hohe Biegesteifig- so kcit aufweisen, um mit den Frequenzen der Radialschwingungen vom Motor keine Resonanz zu erzeugen. Außerdem muß auch eine ausreichende Drehfestigkeit bei Drehmomentspitzen durch Fahrfehler, wie etwa heftiges Schalten, sichergestellt sein. Das Verbindungs- rohr 22 kann beispielsweise aus Stahl hoher Festigkeit und geringer Stärke oder aber aus jedem anderen leichten, genügend steifen und festen Werkstoff bestehen, der nach Anbringen an den Anschlüssen 23 und Zusammenbau mit den Innenteilen der Gelenke die oben genannte Bedingung erfüllt

So kann beispielsweise bei einem Personenkraftfahr zeug mittlerer Leistung das Stahlrohr eine Wandstärke von 1 mm bei einem Außendurchmesser von 40 mm haben. Es kann entweder durch Elektronenstrahl- bzw. Laser-Schweißverfahren oder einfach nur durch Löten oder Widerstandsschweißen, aber auch durch jedes andere bekannte Verfahren, an der Kante der Anschlüsse befestigt werden.

Fig. 4 zeigt ein Befestigungsbeispiel eines dünnen Rohres 22 mit hoher Festigkeit im Anschluß 23. Das Rohr wird in einen zylindrischen Einführungsteil der Schale 24 eingepreßt und stößt dort gegen einen Absatz. Das Verbinden zwischen den beiden sich berührenden zylindrischen Oberflächen erfolgt durch Kleben, Löten oder jedes andere bekannte bzw. übliche Verfahren.

Zu bemerken ist, daß es bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein kann, zumindest einen der Wellen zapfen 25 nicht am Innenteil des angrenzenden Gleichlaufgelenks, sondern an einem anderen Teil des Gelenks, insbesondere an einer das Außenteil eines Tripodegelenks bildenden Glocke, zu befestigen.

Fig. 5 zeigt eine andere Art der Radlagerung, bei welcher die Erfindung angewandt werden kann: Ein einziges Teil 21B bildet die Glocke bzw. Tulpe des radseitigen Tripode-Festgelenks 75, dessen Tripode 18 B mit dem entsprechenden Anschluß 23 aus einem Stück hergestellt ist, die Radnabe, die den Radflansch 34 trägt, und den Innenring eines Kugellagers 35, dessen Außenring 36 am Achsschenkel 10 befestigt ist. Eine Masse 37, die geeignet ist, die vorgenannte Gleichung (1) oder (2) unter den zu Fig. 2 und 3 angegebenen Bedingungen einzuhalten, ist hier am Ende der Welle 6 gegenüber dem Mittelpunkt B des Gelenks freitragend befestigt. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, kann diese Masse eine kugelförmige Außenfläche aufweisen und als gelenkige Abstützung der Tripode gegen den kugelförmigen Boden 38 der Tulpe dienen, wobei gegebenenfalls eine Gleitschicht benutzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Gelenkwelle koppelt die Radialschwingungen um so besser ab, je weniger Reibung in den Gelenken 5 und 7 auftritt. So ist bei hohem Drehmoment die Variante nach Fig. 3, deren beiden Gleichlaufgelenke ein Minimum an innerer Reibung aufweisen, noch günstiger als die nach Fig. 2.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gelenkwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, welche mittels Gleichlaufgelenken sowohl mit einer Antriebs- als auch mit einer Abtriebswelle verbunden istjdadurchgekennzeichnet, daß die von der Zwischenwelle (6) und den mit dieser Zwischenwelle verbundenen Teilen (16,18,20; UA, 185) der Gleichlaufgelenke gebildete Baugruppe eine derartige Massenverteilung besitzt, daß das Massenträgheitsmoment I_G um eine senkrecht zur Gelenkwelle liegende und durch den Schwerpunkt (G) dieser Baugruppe (uhrende Achse mit geringstmöglicher Abweichung die Gleichung /_c = mh-1 erfüllt, wobei m die Masse der Baugruppe und h bzw. / den Abstand zwischen den Mitte'punkten (A, B) der beiden Gelenke und dem Schwerpunkt (G) darstellen.

2. Gelenkwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Massenverteilung zumindest bei einem der beiden Gleichlaufgelenke (5, 7; ΊΑ) die Zwischenwelle (6) auf eine bestimmte Länge (a, b) aus der Nabe (26) der inneren Hälfte (16, 18; 18A) des Gelenks herausragt, welche am Ende der Gelenkwelle befestigt ist.

3. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwelle (6) aus einem Rohr (22) besteht, an dessen Ende je ein Anschluß (23) für die innere Gelenkhälfte befestigt ist, dessen rohrseitiger Teil (24) ausgespart ist.

4. Gelenkweile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (22) in eine zylindrische Aufnahme der Aussparung (24) der Anschlüsse (23) eingepreßt und befestigt wird.

5. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher zumindest ein Gleichlaufgelenk (7 B) ein Tripodegelenk ist, dadurch gekennzeichnet, daß das die Tripode tragende Ende der Gelenkwelle (6) eine axial nach außen über den Mittelpunkt (B) dieses Gelenks hinausragende Zusatzmasse (37) trägt.

6. Gelenkwelle nach Anspruch 5, bei welcher das radseitige Gelenk (TB) ein Tripodegelenk ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmasse (37) innerhalb des Gelenks vorgesehen ist und sich auf dem Boden der Tulpe (21 B) dieses Gelenks, ggfls. unter Anwendung einer Gleitschicht, abstützt.

7. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 5 und 6, bei welcher die beiden Gleichlaufgelenke (5, TA; 7 B) Tripodegelenke sind, deren Tripoden (16,18/1; 18 B) mit der Gelenkwelle (6) fest verbunden sind, gekennzeichnet durch folgende Gleichung: