DE4309622C2 - Gelenkwelle für den Antriebstrang eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkwelle für den Antriebs­ strang eines Kraftfahrzeuges mit angetriebener Hinterachse und damit über die Gelenkwelle antriebsverbundenem, front­ seitig angeordnetem Motor, welcher bei einem ihn in Richtung der Hinterachse beaufschlagenden Stoß durch die Gelenkwelle axial gegen die Hinterachse abgestützt wird und bei größerer Stoßenergie axial nachgiebige drehmomentübertragende Gelenk­ wellenteile unter Verkürzung der Gelenkwelle axial staucht bzw. zusammenschiebt, wobei gleichzeitig Gelenküberbrückungs­ elemente unter Versteifung des zugeordneten Gelenkes axial ineinander geschoben werden.

Die Karosserien moderner Personenkraftwagen besitzen typischerweise eine sehr steife Fahrgastzelle und vergleichs­ weise nachgiebige Bug- und Heckbereiche, welche sich bei einer Kollision des Fahrzeuges mit einem Hindernis in konstruk­ tiv vorgegebener Weise knautschen sollen, um einen möglichst großen Anteil der kinetischen Energie des Fahrzeuges durch nichtelastische Verformung aufzuzehren. Dadurch läßt sich vermeiden, daß die Insassen übermäßig starken Beschleunigungen (oder Verzögerungen) ausgesetzt werden, vorausgesetzt, daß die Insassen zusätzlich durch geeignete Rückhaltesysteme, wie Sicherheitsgurte und Gassack (Airbag), geschützt sind.

In diesem Zusammenhang ist es bekannt, bei Fahrzeugen mit frontseitig angeordnetem Motor und über eine Gelenkwelle angetriebener Hinterachse die Gelenkwelle als axial nach­ giebige Abstützung des Motors gegenüber der Hinterachse auszubilden. Bei entsprechender Auslegung der axial stauchbaren Gelenkwellenabschnitte läßt sich erreichen, daß der Motor einerseits auch bei starken Stoßkräften in Fahrzeuglängsrichtung nicht übermäßig weit in die Fahrgastzelle hineingeschoben wird, daß aber andererseits ein großer Anteil der Stoßenergie durch Stauchung der Gelenkwelle aufgezehrt wird.

Um die axiale Nachgiebigkeit der Gelenkwelle zu ermöglichen, werden Gelenkwellenabschnitte als sogenannte Deformations­ elemente ausgebildet, wie sie beispielsweise aus der DE-AS 21 56 783 sowie der WO 87/05 369 bekannt sind.

Die auf den Motor im Falle einer Kollision mit einem Hindernis einwirkenden Stoßkräfte können neben einer die Stauchung der Gelenkwelle bewirkenden Komponente in Fahrzeuglängsrichtung auch eine Querkomponente aufweisen, durch die der Motor unter entsprechender Knickung der Gelenkwelle seitwärts verlagert wird. Darüber hinaus wird sich auch die tragende Struktur einer sehr steifen Fahrgastzelle bei großer Stoßenenergie in Fahrzeuglängsrichtung verformen, wobei sich die Fahrgast­ zelle in einem Mittelabschnitt quer zur Fahrzeuglängsrichtung mehr oder weniger weit "aufbläht". Auch hierdurch wird die Gelenkwelle mehr oder weniger stark geknickt.

Aufgrund dieser Knickung der Gelenkwelle verursachen starke auf die Gelenkwelle in axialer Richtung einwirkende Kräfte im Bereich des geknickten Zwischengelenkes entsprechend große Querkräfte, die von der tragenden Struktur der Fahrgastzelle aufgenommen werden müssen. Im Extremfall kann dann die Fahrgastzelle auf ihrer Unterseite von der Gelenkwelle eingedrückt bzw. aufgerissen oder in sonstiger Weise überlastet werden.

Um diese Gefahr auszuräumen, ist nach der eine ältere, jedoch nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung betreffen­ den DE 42 42 201 A1 vorgesehen, daß das Zwischengelenk der Gelenkwelle mit Gelenküberbrückungselementen versehen ist, welche sich bei hinreichender axialer Druckbelastung der Gelenkwelle unter Versteifung des zugeordneten Gelenkes axial ineinander schieben, so daß der Motor bei einem starken in Richtung der Hinterachse wirkenden Stoß mit einer durch die zusammengeschobene Gelenkwelle gebildeten biegesteifen und knicksicheren Abstützung auf der Hinter­ achse abgestützt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine neue vorteilhafte Konstruktion für eine Gelenkwelle mit versteifbaren Zwischen­ gelenken aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der vom Motor abgewandten Seite eines versteifbaren Gelenkes ein axial relativ nachgiebiges Gelenkwellenteil­ stück sowie eine am Chassis bzw. an der Karosserie des Fahrzeuges gehalterte, von der Gelenkwelle axial durch­ setzte Rohrhülse angeordnet sind, in die sich das Gelenk bei axialer Stauchung des nachgiebigen Gelenkwellenteil­ stückes formschlüssig einschiebt und/oder daß auf einer Seite eines versteifbaren Gelenkes ein axial relativ nachgiebiges Gelenkwellenteilstück sowie an einem daran axial anschließenden relativ steifen Gelenkwellenteilstück eine zum Gelenk hin stirnseitig offene, zur Wellenachse koaxiale Rohrhülse axial fest angeordnet ist, in die sich das Gelenk bei axialer Stauchung des nachgiebigeren Gelenkwellenteilstückes formschlüssig einschiebt.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die stauchbaren Teile der Gelenkwelle so anzuordnen, daß sich das zu versteifende Zwischengelenk bei Stauchung der Gelenk­ welle in eine das Gelenk dann formschlüssig und gegen Knickung sichernde Hülse eingeschoben wird. Diese An­ ordnung bietet den Vorzug, daß die Konstruktion herkömm­ licher Zwischengelenke von Gelenkwellen praktisch unver­ ändert übernommen werden können. Die knicksichere Verstei­ fung wird durch zusätzliche Bauteile erreicht.

Im übrigen kann es vorteilhaft sein, das versteifbare Gelenk als Schiebegelenk und die durch dieses Gelenk verbundenen Wellenteile als axial zusammenschiebbare komplementäre Steckerteile auszubilden. Wenn also bei einem Unfall eine extreme Axialverschiebung der über das Schiebegelenk mitein­ ander verbundenen Wellenteile relativ zueinander auftritt, schieben sich die Steckerteile teleskopartig ineinander ein und verhindern damit jegliche unerwünschte Winkelbeweg­ lichkeit. Bei allen vorgenannten Ausführungsformen können zusätzlich zu nachgiebigen bzw. axial beweglichen Wellen­ bzw. Gelenkteilen, deren Nachgiebigkeit bzw. Beweglichkeit zur Versteifung des jeweiligen Gelenkes bei einem Unfall ausgenutzt werden, zusätzlich Deformationselemente vorhanden sein, um die auf den Antriebsstrang einwirkende Stoßenergie durch Verformung aufzuzehren. Diese letzteren Deformations­ elemente müssen eine größere axiale Steifigkeit als die zur Gelenkversteifung dienenden Elemente aufweisen, um sicher zu gewährleisten, daß erst eine Versteifung der Gelenkwelle und dann eine Verformung der Deformations­ elemente auftreten.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen verwiesen, die anhand der Zeichnung dargestellt werden.

Dabei zeigen die

Fig. 1 bis 4 verschiedene konstruktive Varianten der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Gelenkwelle 1 ist axial zwischen einer vorderen Gelenkscheibe 2, die mit einem nicht darge­ stellten Motor des Fahrzeuges verbunden ist, und einer hinteren Gelenkscheibe 3 angeordnet, die am Achsgetriebe einer nicht dargestellten Hinterachse des Fahrzeuges ange­ bracht ist. An diesen Gelenkscheiben 2 und 3 sind Dreiarm­ flansche 4 und 5 angeordnet, an die Gelenkwellenteile 6 und 7 axial anschließen, welche als sogenannte Deformationselemente ausgebildet sind und sich dementsprechend bei Einwirkung großer axialer Kräfte axial zusammenstauchen lassen.

Die Gelenkwellenteile 6 und 7 sind miteinander über ein versteifbares Zwischengelenk 8 verbunden.

Dieses Zwischengelenk 8 besitzt einen an das Gelenkwellen­ teil 6 axial anschließenden Kreuzgelenkstern 9, welcher in grundsätzlich bekannter Weise gelenkig mit einer Schaftgabel 10 verbunden ist, die ihrerseits als axiale Fortsetzung des Gelenkwellenteiles 7 angeordnet ist.

Dazu ist am Gelenkwellenteil 7 ein Schiebestück 11 drehfest angeordnet, welches einen axialen Fortsatz der Schaftgabel 10 koaxial umschließt und mit diesem mittels einer Spannmutter 12 verspannt ist.

Die Verbindung zwischen dem Schiebestück 11 und der Schaft­ gabel 10 ist derart ausgebildet, daß beim betrieb des Fahr­ zeuges auftretende Drehmomente sicher übertragen werden können. Andererseits läßt sich der in das Schiebestück 11 hineinragende Fortsatz der Schaftgabel 10 bei hinreichenden axialen Schubkräften, welche geringer sind als die zur Verformung der Gelenkwellenteile 6 und 7 notwendigen Schub­ kräfte, unter Verkürzung der Gelenkwelle in das Schiebestück 11 einschieben.

Die Schaftgabel 10 ist innerhalb einer am Chassis bzw. an der Karosserie (nicht dargestellt) des Fahrzeuges angeordneten, zur Gelenkwelle 1 koaxialen Rohrhülse 13 mittels eines Rillen­ kugellagers 14 und eines dazu koaxialen Faltenlagers 15 dreh­ gelagert.

Die Rohrhülse 13 besitzt an ihrem in Fig. 1 linken Stirnrand einen Zentrier- bzw. Versteifungswulst 13′ und an ihrem in Fig. 1 rechten Stirnende einen Klemmkonus 13′′. Der Zentrier- bzw. Versteifungswulst 13′ ist so bemessen, daß er einen am Kreuzgelenkstern angeordneten Zentrierkonus 9′ form- und kraftschlüssig aufzunehmen vermag, wenn dieser Zentrierkonus 9′ in Fig. 1 relativ zur Rohrhülse 13 nach rechts verschoben wird. In entsprechender Weise vermag der Klemmkonus 13′′ der Rohr­ hülse 13 mit einer an der Schaftgabel 10 angeordneten Abstütz­ scheibe 10′ zusammenzuwirken, welche in der in Fig. 1 darge­ stellten Normallage von der Wandung der Rohrhülse 13 radial beabstandet ist.

Falls bei einer Kollision des Fahrzeuges auf den Fahrzeug­ motor Kräfte einwirken, welche den Motor nach rückwärts zu verschieben suchen und dementsprechend eine starke Schubkraft F auf das linke Ende der Gelenkwelle 1 ausüben, so verschiebt sich die Schaftgabel 10 relativ zum Schiebe­ stück 11 sowie zur Rohrhülse 13 nach rechts, wobei die Abstützscheibe 10′ der Schaftgabel 10 in den Klemmkonus 13′′ der Rohrhülse 13 und der Zentrierkonus 9′ des Kreuzgelenk­ sterns 9 in den Zentrier- bzw. Versteifungswulst 13′ der Rohrhülse 13 eingeschoben werden, mit der Folge, daß das Zwischengelenk 8 durch die Rohrhülse 13 überbrückt und winkelunbeweglich gehalten wird. Damit bildet die Gelenk­ welle 1 eine praktisch unknickbare Abstützung des Motors gegenüber der Hinterachse.

Sollte die Schubkraft F hinreichend groß sein, so werden auch nachfolgend die Gelenkwellenteile 6 und 7 gestaucht, wobei diese Gelenkwellenteile 6 und 7 vorzugsweise so be­ messen sind, daß das Gelenkwellenteil 6 zuerst verformt wird.

Um bei Stauchung des Gelenkwellenteiles 7 zu vermeiden, daß das Zwischengelenk 8 durch die Rohrhülse 13 hindurch­ geschoben werden kann, kann vorgesehen sein, daß die Rohrhülse 13 relativ schwache Halterungen am Chassis bzw. an der Karosserie des Fahrzeuges besitzt, so daß die Rohr­ hülse 13 unter Zerstörung dieser Halterungen vom Gelenk 8 mitgenommen wird, sobald der Zentrierkonus 9′ und die Abstützscheibe 10′ form- und kraftschlüssig in den Zentrier- bzw. Versteifungswulst 13′ und den Klemmkonus 13′′ der Rohr­ hülse 13 eingeschoben worden sind.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform entspricht weitestgehend der Ausführungsform nach Fig. 1.

Im wesentlichen unterscheidet sich die Ausführungsform nach Fig. 2 gegenüber der Konstruktion nach Fig. 1 dadurch, daß das Rillenkugellager 14 sowie das Faltenlager 15 radial über der Spannmutter 12 am rechten Endbereich der Rohr­ hülse 13 axial neben einem innerhalb der Rohrhülse 13 fest angeordneten flanschartigen Stützblech 13′′′ unterge­ bracht sind. Außerdem ist der Klemmkonus 13′′ der Rohrhülse 13 in einem Mittelabschnitt der Rohrhülse 13 auf der dem Gelenk 8 zugewandten Seite des Stützbleches 13′′′ angeordnet. Dementsprechend ist auch die Abstützscheibe 10′ der Schaft­ gabel 10 näher am Gelenk 8 angeordnet.

Unter Einwirkung einer entsprechend großen Schubkraft F wird wiederum das Gelenk 8 mit der Abstützscheibe 10′, welche einen leicht konischen Außenumfang besitzen kann, und dem Zentrierkonus 9′ axial in den Klemmkonus 13′′ sowie den Zentrier- bzw. Versteifungswulst 13′ der am Chassis bzw. an der Karosserie des Fahrzeuges gehalterten Rohr­ hülse 13 eingeschoben, die dann wiederum das Gelenk 8 überbrückt und winkelunbeweglich hält.

Falls die Schubkraft F ausreicht, auch nachfolgend das Gelenkwellenteil 7 zu stauchen, läuft die Abstützscheibe 10′ gegen das Stützblech 13′′′ der Rohrhülse 13, wodurch die Rohrhülse 13 unter Zerstörung ihrer Halterungen am Chassis bzw. an der Karosserie vom Gelenk 8 mitgenommen wird.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Spannmutter 12 mittels des Rillenkugellagers 14 und des Faltenlagers 15 unmittelbar am Chassis bzw. an der Karosserie des Fahrzeuges drehbar gelagert. Die bei dieser Ausführungs­ form vom Chassis bzw. von der Karosserie getrennt angeordnete Rohrhülse 13 ist an ihrem rechten Ende an der Spannmutter 12 gehaltert und wird dementsprechend über die Spannmutter 12 und das Schiebestück 11 vom Gelenkwellenteil 7 getragen.

Wenn auf die Gelenkwelle 1 bei einem Unfall eine hinreichend große Schubkraft F wirkt, wird wiederum zunächst die Schaft­ gabel 10 in das Schiebestück 11 eingeschoben, so daß die Rohrhülse 13 mit ihrem Klemmkonus 13′′ und ihrem Zentrier­ bzw. Versteifungswulst 13′ die Abstützscheibe 10′ sowie den Zentrierkonus 9′ form- und kraftschlüssig unter Versteifung des Gelenkes 8 aufnimmt. Bei entsprechend großer Kraft F werden nachfolgend noch die Gelenkwellenteile 6 und 7 gestaucht.

Ein besonderer Vorzug der Anordnung nach Fig. 3 liegt darin, daß das Gelenk 8 auch dann versteift wird, wenn eine Schub­ kraft F* das in Fig. 3 rechte Ende der Gelenkwelle 1 nach links zu schieben sucht. In diesem Falle verschiebt sich das Gelenkwellenteil 7 relativ zum Gelenk 8 nach links, wobei die Schaftgabel 10 in das Schiebestück 11 einge­ schoben und die Rohrhülse 13 über das Gelenk 8 bzw. die Abstützscheibe 10′ sowie den Zentrierkonus 9′ geschoben werden. Bei hinreichend großer Kraft F* werden nachfolgend noch die Gelenkwellenteile 6 und 7 gestaucht.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 kann grundsätzlich auch in umgekehrter Richtung zwischen Motor und Hinterachse angeordnet werden, d. h. der Motor könnte an der Gelenk­ scheibe 3 und die Hinterachse an der Gelenkscheibe 2 ange­ ordnet sein.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist das Zwischengelenk 8 als Schiebegelenk ausgebildet, welches im dargestellten Beispiel durch einen das Gelenkwellenteil 6 axial fortsetzenden Tripodenzapfen 16 mit einem darauf dreh­ fest angeordneten Tripoden 17 sowie einer am Schiebestück 11 gehalterten Tripodenglocke 18 besteht. In grundsätzlich bekannter Weise sind damit der Tripodenzapfen 16 sowie die Tripodenglocke 18 winkelbeweglich und relativ zueinander axial verschiebbar miteinander drehfest antriebsgekoppelt.

Das in Fig. 4 rechte Ende des Tripodenzapfens 16 ist konus­ förmig ausgebildet und paßt zu einem Zentrierkonus 18′ in der Tripodenglocke 18. Des weiteren ist an dem linken Ende der Tripodenglocke 18 ein weiterer Zentrierkonus 18′′ ausge­ bildet, welcher mit einer vorzugsweise ebenfalls konischen Stützfläche 16′′ am Tripodenzapfen 16 formschlüssig zusammen­ zuwirken vermag.

Wenn auf die Gelenkwelle 1 in Fig. 4 eine Schubkraft F oder F* einwirkt, werden der Tripodenzapfen 16 und die Tripodenglocke 18 relativ zueinander verschoben, derart, daß der Tripodenzapfen 16 in die Tripodenglocke 18 eindringt, bis das konusförmige Ende 16′ und die Stützfläche 16′′ des Tripodenzapfens 16 formschlüssig mit dem Zentrierkonus 18′ bzw. dem Zentrierkonus 18′′ der Tripodenglocke 18 zusammen­ wirken, wodurch das Gelenk 8 steif, d. h. winkelunbeweglich, wird.

Bei hinreichend großer Schubkraft F bzw. F* können dann nach Versteifung des Gelenkes 8 noch die Gelenkwellenteile 2 und 3 gestaucht werden.

Auch die Gelenkwelle nach Fig. 4 kann grundsätzlich in umge­ kehrter Richtung zwischen Motor und Hinterachse montiert sein, derart, daß der Motor an der Gelenkscheibe 3 und die Hinterachse an der Gelenkscheibe 2 angeordnet sind. An der Funktion ändert sich dadurch nichts. Grundsätzliches.

Die Erfindung ist sowohl für Fahrzeuge mit Hinterradantrieb als auch für Fahrzeuge mit Allradantrieb geeignet.

Claims (3)

1. Gelenkwelle für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mit angetriebener Hinterachse und damit über die Gelenkwelle antriebsverbundenem, frontseitig angeordnetem Motor, welcher bei einem ihn in Richtung der Hinterachse beaufschlagenden Stoß durch die Gelenkwelle axial gegen die Hinterachse abge­ stützt wird und bei größerer Stoßenergie axial nachgiebige drehmomentübertragende Gelenkwellenteile unter Verkürzung der Gelenkwelle axial staucht bzw. zusammenschiebt, wobei gleichzeitig Gelenküberbrückungselemente unter Versteifung des zugeordneten Gelenkes axial ineinander geschoben werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der vom Motor abgewandten Seite eines versteifbaren Gelenkes (8) ein axial relativ nachgiebiges Gelenkwellen­ teilstück (10, 11) sowie eine am Chassis bzw. an der Karosserie des Fahrzeuges gehalterte, von der Gelenkwelle (1) axial durchsetzte Rohrhülse (13) angeordnet sind, in die sich das Gelenk (8) bei axialer Stauchung des nachgiebigen Gelenkwellenteilstückes formschlüssig einschiebt, oder
daß auf einer Seite eines versteifbaren Gelenkes (8) ein axial relativ nachgiebiges Gelenkwellenteilstück (10, 11) sowie an einem daran axial anschließenden relativ steifen Gelenkwellenteilstück (7) eine zum Gelenk (8) hin stirn­ seitig offene, zur Wellenachse koaxiale Rohrhülse (13) axial fest angeordnet ist, in die sich das Gelenk (8) bei axialer Stauchung des nachgiebigeren Gelenkwellen­ teilstückes formschlüssig einschiebt.

2. Gelenkwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das versteifbare Gelenk (8) als Schiebegelenk und die durch dieses Gelenk (8) verbundenen Wellenteile (16, 18) als axial zusammenschiebbare komplementäre Steckerteile ausgebildet sind.

3. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet, durch axial vergleichsweise stoßnachgiebige Gelenkwellen­ teile (10, 11; 16, 18) für die Gelenkversteifung und axial erst bei größerer Stoßenergie stauchbare Gelenkwellen­ teile (6, 7) zur Aufzehrung von Stoßenergie durch Verformung.