DE4325963C2

DE4325963C2 - Crash-optimierte Wellenverbindung

Info

Publication number: DE4325963C2
Application number: DE4325963A
Authority: DE
Inventors: Markus Eschbach; Wolfgang Loebel
Original assignee: Loehr and Bromkamp GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2013-08-04
Also published as: DE4325963A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenverbindung zur Übertra gung von Drehmomenten zwischen einer Hohlwelle aus Alu miniumwerkstoff und einem in das offene Ende der Hohlwelle eingesetzten und an einem Anschlußelement fest ange brachten Anschlußzapfen wobei dessen Außendurchmesser und der Innendurchmesser der Hohlwelle mit einer Preßpassung zueinander hergestellt sind und der Anschlußzapfen in einem Einpreßbereich in die Hohlwelle eingepreßt ist, wobei die Hohlwelle im Einpreßbereich des Anschlußzapfens von einem Stütz- und Befestigungsring aus Stahl umfaßt ist, wobei dessen Innendurchmesser und der Außendurch messer der Hohlwelle mit einer Übergangs- oder Spiel passung zueinander hergestellt sind, und der Stütz- und Befestigungsring auf der Hohlwelle durch ein Aufweiten der Hohlwelle infolge des Einpressens des Anschlußzapfens festgesetzt ist.

Wellenverbindungen der beschriebenen Art dienen in An triebssträngen von Kraftfahrzeugen der Übertragung von Drehmomenten. Im Falle eines Frontalaufpralls nehmen diese Verbindungen im Gefüge mit der Längsantriebswelle sowie mit Teilen der Karosserie und des Fahrwerks Energie auf.

Da zunehmend Längsantriebswellen aus Aluminium aus Gründen der Gewichtseinsparung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ist das Verhalten dieser Teile und ihrer Verbin dungen bei einem Frontalaufprall des Kraftfahrzeuges, das heißt ihr Crash-Verhalten, von wachsender Bedeutung, wobei bei Einleitung axialer Kräfte in den Antriebsstrang die Charakteristik der Energieaufnahme durch die Wellenver bindungen zu berücksichtigen ist.

Dieses Crash-Verhalten wird zum einen durch die Wellen geometrie und zum andern durch das Wellenmaterial der im Antriebsstrang verwandten Hohlwellen mitbestimmt. Dabei kann durch die verbindenden Elemente zwischen den einzelnen Teilen in einem Antriebsstrang, d. h. durch die Wellenverbindungen, das Crash-Verhalten positiv beeinflußt werden. Dies wird insbesondere durch eine geeignete Aus legung der Wellenverbindungen realisiert.

Wellenverbindungen, die das Crash-Verhalten berück sichtigen, sind aus der DE 43 13 296 A1 bekannt. Hier wird die Wellenverbin dung dadurch hergestellt, daß ein Anschlußzapfen eines Anschlußelementes im Preßsitz in einer Hohlwelle einsitzt, wobei diese von einem Stütz- und Befestigungsring umfaßt ist.

Der Stütz- und Befestigungsring weist vor dem Einpressen des Anschlußzapfens gegenüber der Hohlwelle Spiel auf und wird beim Einpressen des Anschlußzapfens in die Hohlwelle infolge deren Aufweitens auf dieser festgesetzt. Durch geeignete Dimensionierung der einzelnen Elemente dieser Wellenverbindung ist eine Einflußnahme auf das Crash-Ver halten möglich. Hierbei sind die Möglichkeiten beschränkt, einen optimalen Kraftverlauf der aufgenommenen axialen Kräfte über einen von den verbundenen Elementen bei axialer Krafteinleitung relativ zueinander zurückgelegten Verschiebeweg im voraus zu bestimmen.

Es ist eine weitere Wellenverbindung für Antriebswellen in einem Antriebsstrang bekannt, bei der die Antriebswelle in Form einer Hohl welle mit endseitig ausgebildeten Anschlußbereichen zur Verbindung mit Anschlußelementen ausgestaltet ist, welche in die Hohlwelle eingeschoben sind und miteinander durch Verbindungselemente in Umfangsrichtung formschlüssig in Eingriff gebracht sind, wobei der einsitzende Teil jeweils eines Anschlußelementes über ein Verbindungselement mit der Hohlwelle verbunden ist. Dabei ist die axiale Länge des Anschlußbereiches größer als das koaxial eingeschobene Teil des Anschlußelementes. Die Hohlwelle hat einen mittleren Rohrbereich mit einem kleineren Innendurchmesser gegenüber dem Anschlußbereich, der ein weiteres Einschieben des Anschlußelementes verhindert. Hierbei wird zunächst Energie bei axialer Krafteinleitung durch Reibungskräfte in Wärme umgesetzt und bei Überschreiten eines vorbe stimmten maximalen Verschiebeweges ein Knicken oder Beulen der Hohlwelle vorgesehen, wodurch weitere Energie aufge nommen werden kann.

Eine andere Verbindung für Antriebswellen zur kon trollierten Krafteinleitung ist bekannt, bei der eine Antriebswelle in Form einer Hohlwelle mit endseitig ausgebildeten Anschlußbereichen und einem koaxial einliegenden Anschlußelement durch Ver bindungselemente in Umfangsrichtung formschlüssig in Ein griff ist, wobei jeweils ein Anschlußbereich durch ein Ver bindungselement mit einem Anschlußelement verbunden ist. Die axiale Länge des Anschlußbereiches der Hohlwelle ist größer, als der eingeschobene Bereich des Anschlußele mentes. Die Hohlwelle weist einen mittleren Rohrbereich auf, dessen Innendurchmesser größer ist gegenüber dem Anschlußbereich. Durch den erweiterten Innendurchmesser wird beim Überschreiten einer vorbestimmten axialen Krafteinleitung das reibungs- und zerstörungsfreie Einschieben des Anschlußelementes in die Hohlwelle ermöglicht. Die Einleitung von Energie in den Antriebs strang durch axiale Krafteinleitung bleibt hierbei be grenzt.

Aus der DE 30 07 896 A1 ist eine Anschlußverbindung für faserverstärkte Kunststoffwellen, insbesondere für Hohlwellen von Kraftfahrzeugen be schrieben, bei der ein Anschlußelement sich mit einer Längsverzahnung formschlüssig in die faserverstärkte Kunststoffwelle einschneidet. Zur Abstützung der formschlüssigen Verbindung ist eine äußere Hülse auf die faserverstärkte Kunststoffwelle aufgezogen. Zur Verbesserung der Ener gieaufnahme im Fahrzeug im Falle des Fahrzeugunfalls ist das Anschluß element in einer Ausführung mit seiner Verzahnung über das Rohrende hinaus in Richtung auf einen Anschlußflansch verlängert. Die genannte Hülse hat in einzelnen Ausführungen eine geringfügig größere axiale Länge als der Einpreßbereich des Anschlußzapfens, wobei ein wellensei tiger Überstand nur einen geringen Bruchteil dieser Länge beträgt.

Hieraus ergibt sich die Aufgabe, Wellenverbindungen für Leichtmetallwellen zu schaffen, deren Crash-Verhalten be züglich axialer Krafteinleitung verbessert an die Er fordernisse angepaßt werden können.

Die Lösung wird dadurch erreicht, daß die Länge des Stütz- und Befestigungsrings größer ist, als die Länge des Einpreßbereichs des Anschlußzapfens in der Hohlwelle und daß sich der Außendurchmesser des Stütz- und Befestigungsringes in axialer Richtung verändert.

Hierdurch wird erreicht, daß bei axialer Krafteinleitung auf einem vergrößerten Verschiebeweg durch das Zusammen schieben der Verbindungselemente Energie in Form von Formänderungsarbeit und Reibung aufgenommen wird. Die Formänderungsarbeit und die Reibung wird durch den Stütz- und Befestigungsring erhöht, der beim Zusammen schieben der Verbindungselemente ein elastisches Aufweiten des Querschnittes der Hohlwelle erschwert und damit gleichzeitig den Flächendruck zwischen den Verbindungs elementen hoch hält.

Der Stütz- und Befestigungsring begrenzt die Veränderung des Querschnitts der Hohlwelle durch den Anschlußzapfen. Dabei schiebt sich der Anschlußzapfen in die Hohlwelle ein, bis er aus dem vom Stütz- und Befestigungsring um faßten Bereich hinaus weiter in den nicht abgestützten Bereich der Hohlwelle wandert. Beim Übergang von dem vom Stütz- und Befestigungsring umfaßten Bereich in den nicht umfaßten Bereich der Hohlwelle verändert sich die Charakteristik bezüglich der Energieaufnahme. Die Form änderungsarbeit und die Reibung nimmt dann über dem Ver schiebeweg ab, bis sich der Anschlußzapfen vollständig in dem nicht umfaßten Bereich der Hohlwelle befindet. Darauf hin schiebt sich der Anschlußzapfen leicht in die Hohl welle ein, bis diese ggfs. an dem am Anschlußzapfen befindlichen Anschlußelement zum Anschlag kommt und eine plastische Verformung und Zerstörung der Antriebswelle einsetzt. Diese Zerstörung tritt somit erst nach einer vergrößerten Verzögerungszeit ein. Sowohl diese Ver zögerungszeit, als auch der Verlauf der Energieaufnahme lassen sich über verschiedene Ausführungsformen des Stütz- und Befestigungsring beeinflussen.

Die Auswahl des Außendurchmessers und der axialen Länge des Stütz- und Befestigungsring sowie des Anschlußzapfens ermöglicht eine abgestimmte Aufnahme von Energie bei axi aler Krafteinleitung, die durch den Kraftaufnahmeverlauf charakterisiert wird.

Erfindungsgemäß wird der Außendurchmesser des Stütz- und Befestigungsringes in axialer Richtung verändert. Dies geschieht derart, daß der Außendurchmesser des Stütz- und Befestigungsringes von dem zum Anschluß element liegenden Ende ausgehend in Richtung der Wellen mitte je nach Anforderung an das Crash-Verhalten der Wellenverbindung in vorausberechneter Weise zunimmt oder abnimmt. Diese Veränderung des Außendurchmessers kann sowohl linear erfolgen als auch in Form eines Sprunges ausgeführt sein, bzw. einen stetigen Übergang zwischen anschlußseitigem und wellenseitigem Außendurchmesser bilden.

In den Zeichnungen sind Beispiele bevorzugter Ausführungen der Wellenverbindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Wellenverbindung mit einem Stütz- und Befestigungsring, dessen Außendurchmesser vom Anschlußelement in Richtung zur Wellenmitte zunimmt und ihr axiales Kraft-Weg Verformungsverhalten

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Wellenverbindung mit einem Stütz- und Befestigungsring, dessen Außendurchmesser vom Anschlußelement in Richtung zur Wellenmitte abnimmt und ihr axiales Kraft-Weg Verformungsverhalten;

Fig. 3 zeigt eine Wellenverbindung nach dem Stand der Technik, die einen einfachen Stütz- und Be festigungsring aufweist, dessen axiale Länge das gleiche Maß wie der Einpreßbereich des Anschluß zapfens hat und ihr axiales Kraft-Weg Verformungs verhalten.

Fig. 1 zeigt eine Wellenverbindung mit einer Hohlwelle 1, in die ein Anschlußzapfen 3 eines Anschlußelementes 2 eingepreßt ist. Dabei wird die Hohlwelle 1 von einem Stütz- und Befestigungsring 4₂ umfaßt, dessen Außen durchmesser D_4a vom Anschlußelement 2 in Richtung zur Wellenmitte zunimmt. Der Stütz- und Befestigungsring 4₂ weist dabei am Ende des Anschlußzapfens 3 einen Übergang in Form eines Sprunges von einem kleineren anschluß seitigen Durchmesser D_4a1 zu einem größeren wellen seitigen Durchmesser D_4a2 auf. Das Kraft-Weg-Diagramm zeigt den spezifischen Kraftaufnahmeverlauf, der für die jeweiligen Bereiche des Stütz- und Befestigungsringes charakteristisch ist. Für eine Weglänge S1 =B₁-B₂ steigt die Widerstandskraft aufgrund des beginnenden Ein tritts des Anschlußzapfens 3 in den Bereich des Stütz- und Befestigungsringes 4₂ mit größerem Durchmesser D_4a2 an. Im Moment des vollständigen Eintritts beginnt aufgrund der gewählten Längenverhältnisse B₂ = B₁/2 der Aus tritt des Anschlußzapfens 3 am Ende des Stütz- und Be festigungsringes 4₂ aus dem von diesem umfaßten Bereich. Damit nimmt die Widerstandskraft linear ab, bis der An schlußzapfen 3 ganz aus dem eingespannten Bereich ausge treten ist. Danach bleiben die Kräfte auf einem geringeren Niveau konstant, da nur mehr ausschließlich die Hohlwelle 1 diese verursacht.

Fig. 2 zeigt eine Wellenverbindung mit einer Hohlwelle 1 und einem darin eingesetzten Anschlußzapfen 3 mit einem die Hohlwelle 1 umfassenden Stütz- und Befestigungsring 4₃, der vom Anschlußelement in Richtung zur Wellenmitte im Außendurchmesser D_3a abnimmt und dabei am Ende des Anschlußzapfens 3 einen Übergang in Form eines Sprunges von einem größeren anschlußseitigen Durchmesser D_4a1 zu einem kleinen wellenseitigen Durchmesser D_4a2 auf weist. Das Kraft-Weg-Diagramm zeigt den spezifischen Kraftaufnahmeverlauf, der für die jeweiligen Bereiche des Stütz- und Befestigungsringes charakteristisch ist. Für eine Weglänge S₁ = B₁-B₂ sinkt eine Widerstands kraft aufgrund des beginnenden Eintritts des Anschluß zapfens in den Bereich des Stütz- und Befestigungsrings 4₃ mit geringerem Durchmesser D_4a2′′. Im Moment des vollständigen Eintritts beginnt aufgrund der gewählten Längenverhältnisse B₂ = B₁/2 der Austritt des Anschlußzapfens 3 am Ende des Stütz- und Befestigungs ringes 4₃ aus dem von diesem umfaßten Bereich. Damit nimmt die Widerstandskraft linear ab, bis der Anschluß zapfen 3 ganz aus dem eingespannten Bereich aus getreten ist. Danach bleiben die Kräfte auf einem geringeren Niveau konstant, da nur mehr ausschließlich die Hohlwelle 1 diese verursacht.

In Fig. 3 ist eine Wellenverbindung dargestellt, die einen einfachen außen glatten Stütz- und Befestigungsring 4₄ aufweist, dessen axiale Länge B₁ das gleiche Maß hat wie die axiale Länge B₂ des Anschlußzapfens 3 im Einpreßbereich hat. Diese entspricht dem Stand der Tech nik, wobei die Hohlwelle 1 aufgrund des konstanten Außen durchmessers D_4a des Stütz- und Befestigungsringes 4₄ eine erhöhte Krafteinleitung lediglich axial begrenzt aufnehmen kann. Das Kraft-Weg-Diagramm zeigt den spezi fischen Kraftaufnahmeverlauf, der für die jeweiligen Be reiche des Stütz- und Befestigungsringes charakteristisch ist. Unmittelbar mit Beginn des Einschiebens des Anschluß zapfens 3 in die Hohlwelle 1 und aus dem durch den Stütz- und Befestigungsring 4₄ umfaßten Bereich heraus beginnt ein starker linearer Abfall der Widerstandskraft, die bereits nach dem Weg S₁ = B₁ = B₂ ihr Minimum erreicht hat.

In allen Figuren ist aus Gründen der vereinfachten Dar stellung eine technisch notwendige Fase an der Innenkante des Rohrendes oder der Außenkante des Anschlußzapfens nicht dargestellt.

Bezugszeichenliste

1 Hohlwelle
2 Anschlußelement
3 Anschlußzapfen
4 Stütz- und Befestigungsring
B₁ axiale Länge des Stütz- und Befestigungsringes
B₂ axiale Länge des Anschlußzapfens im Einpreßbereich
D_4a Außendurchmesser des Stütz- und Befestigungsrings

Claims

1. Wellenverbindung zur Übertragung von Drehmomenten zwischen einer Hohlwelle (1) aus Aluminiumwerkstoff und einem in das offene Ende (9) der Hohlwelle (1) eingesetzten und an einem Anschlußelement (2) fest angebrachten Anschlußzapfen (3), wobei dessen Außen durchmesser und der Innendurchmesser der Hohlwelle (1) mit einer Preßpassung zueinander hergestellt sind und der Anschlußzapfen (3) in einem Einpreßbereich (8) in die Hohlwelle (1) eingepreßt ist, wobei die Hohlwelle (1) im Einpreßbereich (8) des Anschlußzapfens (3) von einem Stütz- und Befestigungsring (4) aus Stahl umfaßt ist, wobei dessen Innendurchmesser und der Außendurch messer der Hohlwelle (1) mit einer Übergangs- oder Spielpassung zueinander hergestellt sind und der Stütz- und Befestigungsring (4) auf der Hohlwelle (1) durch ein Aufweiten der Hohlwelle (1) infolge des Einpressens des Anschlußzapfens (3) festgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge (B₁) des Stütz- und Befestigungsrings (4) auf der Hohlwelle (1) größer ist, als die Länge (B₂) des Einpreßbereichs des Anschlußzapfens (3) in der Hohlwelle (1) und
daß sich der Außendurchmesser (D_4a) des Stütz- und Befestigungsringes (4) in axialer Richtung verändert.

2. Wellenverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D_4a) des Stütz- und Be festigungsringes (4) in axialer Richtung von dem zum Anschlußelement (2) liegenden Ende ausgehend zunimmt.

3. Wellenverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D_4a) des Stütz- und Be festigungsringes (4) in axialer Richtung von dem zum Anschlußelement (2) liegenden Ende ausgehend abnimmt.

4. Wellenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung vom anschlußseitigen Außendurchmesser (D_4a1) zum wellenseitigen Außendurchmesser (D_4a2) des Stütz- und Befestigungsringes (4) ein Sprung ist.

5. Wellenverbindung nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung vom anschlußseitigen Außendurchmesser (D_4a1) zum wellenseitigen Außendurchmesser (D_4a2) des Stütz- und Befestigungsringes (4) stetig verläuft.