DE4320642C1 - Gelenkwellenlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gelenkwellenlager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Triebstrangelemente Motor, Getriebe, Gelenkwelle, Hinterachsgetriebe sowie der Hinterachs- Fahrschemel sind bei Straßenfahrzeugen aus Gründen des Geräusch- und Schwingungskomforts sowohl an ihren Verbindungsstellen zur Karosserie als auch untereinander elastisch entkoppelt.

Damit liegt ein komplexes Schwingungssystem vor, das einerseits die auftretenden fahrdynamischen Kräfte und Momente durch stationäre Auslenkungen auffangen muß. Gleichzeitig werden diese Auslenkungen durch dynamische Schwingungen infolge von Unwuchten und ungleichförmig übertragenden Gelenken (z. B. Kreuzgelenke) sowie durch Schwingungen infolge impulsförmiger Fahrbahnstöße überlagert. Ein Gelenkwellen- Zwischenlager hat dabei die Aufgabe, die Lagerung und die akustische Abkoppelung der Welle gegenüber der Karosserie unter Berücksichtigung der im Fahrbetrieb auftretenden Relativbewegungen sicherzustellen.

Bei einem bekannten Wellenlager der eingangs genannten Art (DE-GM 69 19 078) läuft der radial innere Lagerwulst in einer schräg zum Außenwulst und gegen das vom Antriebsaggregat abgewandte offene Ende des im Querschnitt U-förmigen Elastomerkörpers sich erstreckenden Dämpfungslippe aus. Die Lippe ist ihrerseits gegen den Innenwulst durch Rippen abgestützt, die etwa tangential zur Welle verlaufen. Bei einer derartigen Lösung dient die Dämpfungslippe mit den Rippen zur radialen Abstützung des Außenwulstes, der mit dem Innenwulst über eine elastische Membran in Form einer Rollfalte verbunden ist.

Außenwulst und Innenwulst sind jeweils fest mit dem Lagerträger bzw. der äußeren Lagerschale verbunden, so daß die freie Länge der Rollfalte durch deren vorgegebene, abstützfreie Länge zwischen Lagerträger und Lagerschale bestimmt ist. Für die Rollfalte ergeben sich dementsprechend sowohl bei der radialen wie auch bei der axialen Bewegung bezogen auf die jeweilige Bewegung im wesentlichen vorgegebene Knickstellen, die bevorzugte Verschleißstellen darstellen. Ferner ist bei der bekannten Lösung durch die Anordnung der Dämpfungslippe am Innenwulst eine Beeinflussung der Grundhärte des Lagers durch entsprechende Dimensionierung und/oder Auslegung der Dämpfungslippe, d. h. zur Einstellung einer gewünschten Vorspannung des Lagers praktisch nicht möglich.

Die Ausrichtung des offenen Endes des U-förmigen Querschnitts gegen die vom Antriebsaggregat abgewandte Seite, also hin auf das Hinterachsgetriebe hat ferner zur Folge, daß im Fahrbetrieb das Lager bezogen auf den Regelzustand des Fahrens unter Last einer Verschiebung des Lagerträgers gegenüber der äußeren Lagerschale im Sinne einer axialen Verlängerung des U- förmigen Querschnittes unterworfen ist. Für den Rollkörper bedingt dies eine verhältnismäßig ungünstige Knickbelastung mit erhöhtem Verschleiß.

In der DE-OS 23 47 446 ist eine elastische Lagerung des Mittellagers einer geteilten Antriebswelle beschrieben, bei der zwischen äußerem und innerem Metalltragrohr zwei ringförmige Gummielemente aus unterschiedlichen Werkstoffen vorgesehen sind. Dabei weist das außenliegende Gummielement einen näherungsweisen V-förmigen Querschnitt auf und erlaubt die Aufnahme und Absorbtion radialer Schwingungen mit geringerer Amplitude. Bei größeren Ausschlägen der Gelenkwelle, z. B. beim Durchfahren von Fahrbahnunebenheiten, wird das Innenrohr weiter ausgelenkt und es kommt zu einer momentanen Berührung des zweiten ringförmigen Gummikörpers mit der Innenseite der V-förmigen Falte des ersten Dämpfungselementes. Dabei wirken beide Gummikörper als gekoppeltes Federsystem, so daß es zu einer progressiven Dämpfung der Schwingungen kommt und ein weiteres Auslenken der Kardanwelle vermieden wird.

Nachteilig an dieser Lösung ist, daß eine axiale, elastische Verformbarkeit des Wellenlagers nicht oder nur in eng tolerierten Grenzen ermöglicht wird. So kommt es zwangsläufig bei einer stärkeren axialen Beanspruchung und Auslenkung der Kardanwelle, z. B. im Geländeeinsatz oder bei größeren Fahrbahnunebenheiten zu einem Abreißen des V-förmigen Gummiprofils von der durch Vulkanisation mit dem Gummikörper fest verbundenen Lagerschale. Ebenso werden bei einer V-förmigen Ausbildung des Gummikörpers häufig Rißneigungen im Kerbgrund der V-Falte, insbesondere bei axialer Beanspruchung, beobachtet. Nachteilig bei dieser Anordnung ist weiterhin die aufwendige konstruktive Gestaltung des mehrteiligen Lagersystems und die daraus resultierenden Herstellungskosten sowie der unverhältnismäßig hohe Montageaufwand beim Einfugen des Lagerkörpers.

In der DE-OS 24 57 941 wird ein schwingfähiges Wellenlager beschrieben, bei dem zwischen einer Innen- und einer Außenhülse ein ringförmiger Elastomerkörper angeordnet ist, dessen Vollprofil einen im wesentlichen sternförmigen Querschnitt aufweist. Die Außenfläche des Innenrohres und die Innenfläche des Außenrohres, die sich auf dem ringförmigen Elastomerkörper abstützen, stellen formideale Gegenstücke zu dem Abwälzprofil des Elastomerkörpers dar. Diese Lösung ermöglicht eine leichte axiale Verschiebbarkeit der Welle durch die elastische Verformung und nachfolgende Relativbewegung des Elastomerkörpers zwischen Außen- und Innenhülse. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Elastomerkörper eine konstante radiale Federsteifigkeit unabhängig von der Größe der Auslenkung der Welle aufweist. Damit ist eine Entkopplung der Radial- und Axialbelastung des Lagers gewährleistet. Ebenso kommt es bei dieser Lösung nicht zu der vorstehend beschriebenen Rißneigung zwischen Lageraußenring und Oberfläche des Elastomerkörpers, da auf eine feste mechanische Verbindung (Vulkanisierung) beider Teile verzichtet wurde.

Der Nachteil dieser Lösung besteht insbesondere darin, daß es bei größerer axialer Beanspruchung zu einem Herausdringen des Gummikörpers aus dem Lagersitz kommen kann. Durch die permanente Walkarbeit, die der axial und radial hochbeanspruchte Elastomerkörper zu leisten hat, kommt es bei längerwährender Beanspruchung zur Ermüdung und zur Versprödung des Gummikörpers und damit zu vorzeitigen Ausfällen. Als weiterhin nachteilig ist der hohe Fertigungs- und Montageaufwand für die dreiteilige Lagerkonstruktion zu betrachten.

Ausgehend von dem durch das eingangs besprochene DE-GM 69 19 078 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gelenkwellenlager dieser Art insbesondere im Hinblick auf Dauerhaltbarkeit und Anpaßbarkeit des Dämpfungsverhaltens an verschiedene Einsatzzwecke bei günstigen Fertigungskosten zu verbessern.

Erreicht wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Durch die Wahl des Kegelwinkels läßt sich dabei Einfluß auf den Grad der Vorspannung in eingebautem Zustand nehmen. In Verbindung mit der Wahl der Vorspannung kann auf das Dämpfungsverhalten durch die Zahl und/oder Ausbildung der vorgesehenen Dämpfungslippen Einfluß genommen werden. Ferner wird durch die Öffnung des U-förmigen Profiles gegen das frontseitige Antriebsaggregat bei angetriebener Hinterachse eine günstige Belastung bezogen auf den Regelfall des Fahrens unter Last erreicht, da diese Art der Dauerbelastung in Überlagerung zur Vorspannung zu einem Abbau der Spannungen unter Last führt und durch ein Abrollen des Außenwulstes der Rollfalte am Lagerkörper zudem scharfe Knickstellen vermieden werden können, bei gleichzeitiger ständiger Verlagerung der insoweit höchstbelasteten und dadurch besonders gefährdeten Zonen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung basieren somit insgesamt darauf, daß ein spannungsfreier Urformzustand des Elastomerkörpers in einen radialen vorgespannten Einbauzustand überführt wird und daß durch eine entsprechende Dimensionlerung des einteiligen Elastomerkörpers in Verbindung mit einer definierten radialen Vorspannung eine individuelle Anpassung an die unterschiedlichsten Einsatzbedingungen bei verschiedenen Fahrzeugtypen vorgenommen werden kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Elastomerkörper drei Dämpfungslippen mit gleicher Wanddicke und konstantem Neigungswinkel α der Dämpfungslippen gegenüber der Gelenkwellenachse auf. Durch die individuelle Erhöhung der Anzahl der Dämpfungslippen wird eine gezielte Vergrößerung der Radialsteifigkeit des Dämpfungselementes möglich. Damit können insbesondere größere dynamische Belastungen sicher übertragen werden.

In einer weiteren Gestaltung sind die Neigungswinkel α₁, α₂, α₃ benachbarter Dämpfungslippen so gewählt, daß es bei einer entsprechend großen radialen Auslenkung des Lagers zunächst zu einer Berührung der einzelnen Dämpfungslippen mit der gelenkwellenseitigen Innenfläche des Elastomerkörpers und bei einer weiteren radialen Belastung zu einer flächigen Berührung der Dämpfungslippen untereinander kommt, wobei die dadurch auftretenden Reibkräfte eine zusätzliche Dämpfung des Schwingungssystems bewirken. Dabei sind die Anstellwinkel a der Dämpfungslippen so gewählt, daß jede Dämpfungslippe nur auf Biegung beansprucht wird. Mit dieser Gestaltung wird eine stark progressive Bedämpfung der schwingenden Welle, z. B. bei geländegängigen Fahrzeugen, erreicht.

Ferner kann in den Elastomerkörper ein umlaufendes Stegblech integriert sein, das eine gleichmäßige Flächenpressung auf den Außenring des Wälzlagers ermöglicht. Dieses Stegblech kann ohne zusätzlichen Aufwand bei der Urformung des Elastomerkörpers mit eingebunden oder nachträglich eingefugt werden.

Sind im Inneren des Elastomerkörpers zusätzliche Spreizelemente vorgesehen, die die Flächenpressung zwischen der verformbaren Außenwulst des Elastomerkörpers und äußerer Lagerschale des Gelenkwellen-Zwischenlagers vergrößern und gleichzeitig die Eigenschaften des Radialanschlags verändern, so sind diese Spreizelemente vorzugsweise als ringförmige Federn ausgebildet, die ihren Sitz in der umlaufenden Ausbuchtung zweier benachbarter Dämpfungslippen finden.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, das nachfolgend näher erläutert wird.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Gelenkwellenlager in Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des einteiligen Elastomerkörpers und

Fig. 3 ein weiteres, gegenüber der Lösung gemäß Fig. 2 leicht abge­ ändertes Ausführungsbeispiel mit drei unterschiedlich gestalteten Dämpfungslippen und integriertem Stegblech.

In Fig. 1 ist eine näherungsweise horizontal verlaufende Gelenkwelle (1) eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Das erfindungsgemäße Wellenlager ist in der Nähe des Kreuzgelenkes (2) angeordnet und über einen nicht näher dargestellten Lagerträger (6) fest mit der Karosserie des Fahrzeuges verbunden.

Der vom Motor kommende Teil der Gelenkwelle (1a) ist über ein Wälzlager (3) drehbar gelagert, auf dessen äußerer Mantelfläche (4) sich ein U-förmig profilierter, einteiliger Elastomerköper (5) abstützt. Dieser, mit einer definierten Vorspannung beaufschlagte Elastomerkörper ist an der Außenwulst (12) mit dem Lagerträger (6) formschlüssig und lösbar verbunden. Der im vorgespannten Zustand montierte, U-förmig profilierte Elastomerkörper (5) ist dabei so angeordnet, daß die offene Seite des U-Profils in axialer Richtung auf das Antriebsaggregat weist. Diese Anordnung bewirkt, daß bei den vorherrschenden Belastungsrichtungen Vorspannungen im Elastomerkörper zunächst abgebaut werden, bevor durch weiteres axiales Auslenken eine Spannungserhöhung eintritt. In der Summe führt diese Anordnung zu niedrigen Spitzenspannungen in kritisch beanspruchten Partien des Elastomerkörpers, die sich günstig auf die Lebensdauer auswirken.

Der Elastomerkörper weist auf der Innenseite der äußeren Wulst zwei umlaufende, lippenartige Ausformungen (7) auf, die als Hinterschneidungen ausgebildet sind und bei der Herstellung des Gummikörpers eine leichte Entformbarkeit aus dem Urformwerkzeug ermöglichen.

Der U-förmig gestaltete Grund des Elastomerkörpers (5) weist eine kontinuierliche Wandstärke auf. Durch den relativ großen Innenradius und den Verzicht auf Kerben und Hinterschneidungen in diesem, durch die axiale Walkbewegung hochbeanspruchten Bereich ist eine hohe Langzeitzuverlässigkeit des Lagers gewährleistet.

Der einteilige Elastomerkörper (5) erlaubt dabei eine genaue Vorausberechnung der zu erwartenden Federeigenschaften im Gegensatz zu kombinierten Systemen, die sich mehrerer Elastomerkörper mit unterschiedlichen Federkonstanten bedienen.

Der Verzicht auf eine dauerfeste Verbindung zwischen Lagerträger und Außenwulst (12) des Elastomerkörpers beseitig die Gefahr der Rißneigung, die bei bekannten unlösbaren Verbindungen zwischen Gummi- und Metallformteilen latent vorhanden ist. Statt dessen ist das erfindungsgemäße Elastomerteil form- oder reibschlüssig mit dem Lagerträger verbunden.

Die niedrige Axialsteifigkeit des als Rollfalte ausgebildeten U-förmigen Grundes des Elastomerkörpers bewirkt zusammen mit den im Fahrbetrieb maximal auftretenden Axialbewegungen zwischen Karosserie und Gelenkwelle niedrige Axialkräfte, die in der Kontaktfläche zwischen Lagerträger (6) und Außenwulst (12) des Elastomerkörpers (5) durch kombinierten Form- und Reibschluß sicher übertragen werden können. Der Formschluß wird erreicht, indem eine umlaufende Einkerbung (14) in der Außenwulst (12), die sich im spannungsfreien Urformzustand ohne Hinterschneidung entformen läßt, sich bei radialer Kompression des Elastomerkörpers (5) zu einer hinterschnittenen Durchmesserstufung ausbildet, die ihrerseits eine entsprechend dimensionierte Umbördelung an der Stirnfläche des Lagerträgers (6) umschließt. Die axiale Arretierung des Elastomerkörpers (5) wird durch einen umlaufenden, stirnseitigen Anschlagbund (15) bewirkt.

Claims (5)

1. Gelenkwellenlager, insbesondere Gelenkwellenzwischenlager zur Aufnahme axialer und radialer Belastungen an Straßenfahrzeugen mit über eine Gelenkwelle mit dem Hinterachsgetriebe verbundenem Antriebsaggregat, bei dem zur dauerelastischen Verbindung zwischen äußerer Lagerschale des Wälzlagers und karosserieseitig befestigtem Lagerträger ein einteilig ausgebildeter Elastomerkörper mit im wesentlichen U-förmigem Querschnittsprofil, ringförmigem Innen- und Außenwulst und einer an einem der Wulste angeordneter winklig zur Lagerachse angestellter und gegen das offene Ende des U-förmigen Querschnitts sich erstreckender Dämpfungslippe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Außenwulstes (12) mindestens zwei Dämpfungslippen (7) vorgesehen sind und der Außenwulst (12) kegelförmig ausgebildet ist, so daß der Elastomerkörper (5) mit vorgegebener radialer Vorspannung in den Lagerträger (6) einsetzbar ist und mit der offenen Seite des U-förmigen Profiles in axialer Richtung zum Antriebsaggregat weisend zwischen Wälzlager (3) und Lagerträger (6) lösbar angeordnet ist.

2. Gelenkwellenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Elastomerkörper (5) ein ringförmig umlaufendes Stegblech (8) angeordnet ist.

3. Gelenkwellenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den durch benachbarte Dämpfungslippen (7) gebildeten Ausbuchtungen (10) Spreizelemente (9) angeordnet sind.

4. Gelenkwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Anstellwinkel, Wanddicke und freie Länge der Dämpfungslippen (7) unterschiedlich sind.

5. Gelenkwellenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelfläche der Außenwulst (12) im Übergang zum Anschlagbund (15) eine umlaufende Einkerbung (14) aufweist.