SE424218B - Transmissionssystem - Google Patents

Description

sonvesz-1 2 för att ej överföra vibrationer från motorn till bakaxeln, varvid man dock samtidigt måste tillse, att den erhåller till- räcklig böjstyvhet, så att någon nämnvärd skillnad mellan kar- danaxelns geometriska axel och dess rotationsaxel ej erhålles vid aktuella varvtal, vilket fenomen benämns "whirling“. Även om man enligt nämnda patent ersätter den mellanliggande stål- axeln med en axel av fibermaterial kommer ett transmissions- system enligt patentet att alltjämt innehålla konventionella kardanknutar, vilket exempelvis framgår av exempel l,i nämnda patent, varför kostnaden för och problemen med dessa ej eli- mineras. _ U , Utnyttjandet av kardanknutar, vilka ger en ledad in- fästning av axeln vid dennas båda ändar; kräver en förhållande- vis styv axel för undvikande av böjsvängningsproblem. En sådan relativt böjstyv axel kan å andra sidan ej infästas mellan växellåda och bakaxel utan utnyttjande av kardanknutar. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkom- ma ett transmissionssystem av det inledningsvis angivna slaget, vilket är betydligt lättare, enklare och billigare att såväl tillverka som underhålla än kända transmissionssystem.

Ovan nämnda mål uppnås enligt uppfinningen genom kom- binationen av att den böjilga axelns båda ändar är stelt in- fästa vid de punkter mellan vilka vridmoment skall överföras och att axeln har så låg elasticitetsmodul i längdriktningen och låg böjstyvhet, att den som böjdeformation kan upptaga förekommande lägesändringar mellan nämnda punkter. Axeln är för detta ändamål utförd i form av en röraxel utan kärna, vid vilken rörväggen består av väsentligen homogent material med fibrerna i huvudsak jämnt fördelade över tvärsnittet och löp- ande väsentligen i huvudspänningsriktningarna för torsion, för _åstadkommande av en axel med maximal vridstyvhet och låg böj- _styvhet. Härigenom kan således kardanknutarna helt elimineras och ett konventionellt kardanaxelsystem ersättas med en enda böjlig axel.

Grunden till lösningen enligt uppfinningen ligger i insikten om att om den ledade infästningen av en böjlig axel medelst kardanknutnr ersättas med on stel infästnínq kan axeln med bibehållande av ett högt kritiskt varvtal för böj- 8007682-1 3 svängningar utföras med betydligt lägre böjstyvhet, så att den vid exempelvis en bil kan infästas mellan växellåda och bakaxel utan utnyttjande av kardanknutar.

Vid en utföringsform infästes axeln vid åtminstone den ena änden med hjälp av ett s.k. splinesförband. Vid en alternativ utföringsform är emellertid axeln fast infäst vid båda ändarna, varvid avståndsändringar mellan infästnings- punkterna upptages i form av böjdeformation i den böjliga axeln.

För uppnående av den eftersträvade låga elasticitets- modulen hos axeln bör fibrernas vinkel ej bilda mindre vinkel med axelns längdriktning än ca 400. För bästa vridmoment- överföring bör eftersträvas, att fibrerna bildar en vinkel på i 450 relativt längdaxeln. Fibrernas vinkel med axelns längd- riktning bör således ligga mellan ca i 400 och ca i 500, före- trädesvis mellan É 430 och É 470. En sådan axel, vilken exem- pelvis tillverkas i kolfiberarmerad plast, erhåller en hög skjuvmodul i huvudspänningsriktningarna, men en mycket låg elasticitetsmodul i axelns längdriktning. Axeln får med andra ord idealiska egenskaper för att överföra vridmoment men kan ej överföra nämnvärda böjmoment.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig. l schematiskt illustrerar ett konventionellt transmissionssystem utnyttjande en kardanaxel, och fig. 2 schematiskt illustrerar ett transmissions- system enligt uppfinningen.

I fig. l betecknar l växellådan hos en bilmotor, varvid 2 avser den med växellâdans utgående axel förbundna kardanknuten. Med 3 betecknas den röraxel som normalt för- binder kardanknuten 2 med en kardanknut 4, vilken är förbunden med axeltappen hos pinjxgdrevet i bakaxeln 5. Från eventuella stödlager eller erforderliga mellanliggande kardanknutar bortses.

Med heldragna linjer visas bakaxeln 5 i ett ofjädrat soo7es2+1 4 läge, medan de streckade linjerna indikerar ett läge, i vil- ket bakaxeln har förskjutits till följd av en fjädringsrörel- se. Kardanknutarna 2 och 4 inställes därvid så, att den raka axeln 3 även i detta läge kan överföra erforderligt vridmo- ment till bakaxeln 5. Systemet bör emellertid vara så kon- struerat, att man undviker vinkelförskjutningar mellan de axeltappar som skall förbindas, då man annars kan erhålla 0- likformig rotation. En fjädringsrörelse enligt fig. l kräver även att en splineskoppling är anordnad vid den ena kardan- knuten.

I fig. 2 visas ett motsvarande transmissionssystem utfört enligt uppfinningen. Kardanaxeln 3 med kardanknutarna* 2 och 4 har därvid ersatts medelst en enda böjlig axel 6 av fiberarmerat material, företrädesvis kolfiberarmerad plast.

Axeln 6 är stelt, dvs. ej ledbart, infäst vid såväl växel- lådans utgående axel som pinjongdrevets axeltapp. Även här illustrerar de heldragna linjerna ett ofjädrat läge medan ett till följd av en fjädringsrörelse erhållet läge visas med streckade linjer. Den relativa förskjutningen mellan växellådans utgående axel och pinjongdrevets axeltapp upp- tages här i form av en böjdeformation hos den böjliga axeln 6. Även vinkelförskjutningar mellan axeltapparna kan här få förekomma.

Den stela infästningen vid axelns båda ändar kan antingen ske medelst fasta flänsförband vid båda ändarna eller med ett flänsförband vid den ena änden och en splines- koppling vid den andra. I fallet med fasta flänsförband måste även avståndsändringar mellan växellåda och bakaxel upptagas i form av böjdeformation hos axeln 6. Axellängden väljs där- vid så, att den motsvarar största avståndet mellan växellåda och bakaxel. Vid förkortningar av detta avstånd erhålles där- vid en utböjning av axeln. vidden jämförelse mellan en ledat infäst axel enligt det tidigare omnämnda amerikanska patentet 4 089 190 och en *stelt infäst axel enligt föreliggande uppfinning erhålles följande resultat. Då axelns egenmassa representerar en s.k; 8007682-1 5 utbredd last bestäms nedböjningen, dl, av följande standard- formler: d* _ 5 Ledat infäst axel: max - ššz-Éï 3 Stelt infäst axel: Ormax = §%%~šï varvid Q = axelns massa, L = axelns längd, E = elasticitets- modulen och I = yttröghetsmomentet.

Av ovan angivna formler framgår att för i övrigt lika axlar blir nedböjningen i det stelt infästa fallet endast l/5 av nedböjningen i fallet med ledad infästning.

För det kritiska varvtalet för böjsvängninqar gäller: l n . = K ---- krit V-- 4/max varvid K är en konstant.

Detta innebär, att det kritiska varvtalet för en given axel ökar'Vš gånger, dvs. ca 2,23 ggr, om infästningen av en axel ändras från ledad till stel infästning. Detta medför således, att för en given axel med ett visst önskat ' minsta kritiska varvtal kan diametern och/eller väggtjockleken minskas högst avsevärt vid övergång från ledad till fast in- spänning, vilket möjliggör att axeln kan utföras betydligt slankare med minskade böjpåkänningar som följd, vilket i sin tur medför,att en sådan axel exempelvis kan inkopplas mellan växellåda och bakaxel hos en bil utan utnyttjande av kardan- knutar.

I det amerikanska patentet 4 089 l90 anges i kolumn 3, att EI/L4DPt skall vara minst 40 med angivna sorter. Då emellertid produkten DPtL är proportionell mot axelmassan Q blir således nämnda uttryck EI/L4DPt proportionellt mot EI/L3Q, vilket i sin tur enligt ovan är proportionellt mot lá/šax. Då denna faktor således minskas med l/5 vid stel in- fästning enligt uppfinningen kan,med bibehållande av samma kritiska varvtal som i det ovan omnämnda amerikanska patentet, det villkoret uppställas, att EI/L4DPt skall vara minst 8 8007682-1 6 i stället för 40 enligt nämnda patent. Även detta visar, att 'en stelt infäst axel enligt uppfinningen kan utföras betydligt slankare än den kända, ledat infästa axeln, vilket t.ex. inne- bär att kardanknutar kan elimineras vid biltillämpningar.

För erhållande av en axel med optimala egenskaper för överföring av vridmoment men vid vilken böjpåkänningarna ej blir besvärande eftersträvas att anordna fibrerna i en vinkel relativt axelns längdriktning på i huvudsak É 45°. Viss vinkel- avvikelse kan förekomma av lindningstekniska skäl, varvid lindningsvinkeln normalt kommer att ligga mellan I 430 och É 470. Man bör i varje fall eftersträva, att lindningsvinkeln ej understiger 400 relativt Emgdaxeln. Några fibrer som är i huvudsak parallella med axelns längdriktning skall således ej förekomma. _ Ett typiskt exempel på en användning av uppfinningen är vid en medelstor europeisk bil, där erforderlig vridmoment- överföringsförmåga är l50 kpm, det maximala varvtalet normalt ligger vid ca 5000 varv och erforderlig fjädringsrörelse vid bakaxeln är É l00 mm. Vid en sådan applikation utnyttjades en fiberarmerad röraxel med en längd på l500 mm, varvid inner- diametern var 25 mm och ytterdiametern 31 mm. Fiberhalten var- 60% och lindningsvinklarna låg mellan É 430 och f"47°. Som fiber utnyttjades en kolfiber av typ Torayca T300, varvid plastmaterialet utgjordes av en epoxiharts av DGEBA-typ, här- _ dad med en syraanhydridhärdare. Axeln var vid den ena änden 'försedd med en fast flänsförbindning, medan den vid den andra änden var försedd med en splineskoppling för att reducera på- känningarna på växellådan. Några kardanknutar behövde ej ut- nyttjas, utan erforderliga fjädringsrörelser kunde vid denna axel, som hade en elasticitetsmodul vid böjning på 1930 kp/mmz, upptagas såsom böjdeformation i axeln. Övan nämnda dimensioner och värden får endast ses som typiska exempel, då de alltid måste anpassas från fall till I fall bland annat i beroende av transmissionslängd och fjäd- ringslängd samt krav på vridmoment och varvtal. Exemplet visar emellertid, att man med utnyttjande av en böjlig axel, vilken 8007682-1 7 enligt uppfinningen inspännes stelt vid båda ändæma, kaneli- minera kardanknutarna i t.ex. den typ av transmissionssystem som utnyttjas vid bilar.

Med en böjlig axel enligt uppfinningen är det även möjligt att ersätta ovan nämnda splineskoppling med en fast flänsförbindning. variationer i avståndet mellan infästnings- punkterna upptages därvid i form av böjdeformationer hos axeln.

Fastän transmissionssystemet ovan beskrivits under huvudsaklig referens till vridmomentöverföring vid fordon in- ses, att detta likaväl kan utnyttjas i andra sammanhang där motsvarande problem föreligger. Förutom kolfibrer kan även andra fibrer, såsom glas, kevlar och bor, utnyttjas enbart eller i kombination med kolfibrer. Plastmaterialet utgöres lämpligen av epoxiharts. Gemensamt för samtliga fiberarmerade material av detta slag är, att de erhåller betydligt högre hållfasthet än enkla stålkvaliteter och att de är väsentligt lättare än stål, varför ett transmissionssystem enligt upp- finningen erhåller en betydligt lägre vikt än ett konventio- nellt kardanaxelsystem och kräver mindre mängd gods än ett sådant.

För uppnående av en mycket exakt fiberorientering kan axeln i stället för genom lindning av fibrerna tillverkas ut- gående från förimpregnerad fiberväv eller liknande. vävda eller på annat sätt tillverkade dukar av fibermaterial an- bringas därvid på en fornkärna, så att fibrerna blir riktade i önskade riktningar relativt axelns längdriktning. Efter härdning avlägsnas formkärnan. Denna teknik kan även vara att föredra vid masstillverkning.

Claims (4)

1. 8007682-1 8 Patentkrav Il. Transmissionssystem för överföring av väsentliga vridmoment mellan två punkter, vilkas lägen kan ändras rela- tivt varandra inom vissa gränser, innefattande en nämnda punkter förbindande, böjlig axel (6) av fiberarmerat plast- material, k ä n n e't e c k n a t av kombinationen av att axelns båda ändar är stelt infästa vid nämnda punkter och att axeln har så låg elasticitetsmodul i längdriktningen och låg böjstyvhet, att den som böjdeformation kanupptaga före- kommande lägesändringar mellan punkterna, för vilket ändamål axeln är utförd i form av en röraxel (6) utan kärna, vid vilken rörväggen består av väsentligen homogent material med fibrerna i huvudsak jämnt fördelade över tvärsnittet och löpande väsentligen i huvudspänningsriktningarna för torsion, för âstadkommande av en axel (6) med maximal vridstyvhet och låg böjstyvhet,
2. 2. 'Transmissionssystem enligt krav l, k ä n n e t e c k- n a t av att fibrerna bildar en vinkel med axelns (6) längdriktning på mellan ca. É 400 och ca. i 500, företrädes- vis mellan É 430 och i 470. '
3. 3. Transmissionssystem enligt krav l eller 2, k ä n n e- t e c k n a t av att axeln (6) vid åtminstone den ena änden är infäst med hjälp av ett s.k. splinesförband. _
4. 4. Transmissionssystem enligt krav l eller 2, k ä n n e- t e c k n a t av att axeln (6) är fast infäst vid båda ändarna, varvid avståndsändringar mellan nämnda punkter upp- tages i form av böjdeformation i den böjliga axeln.