WO2014114285A2

WO2014114285A2 - Homokinetisches festgelenk mit crashfunktion

Info

Publication number: WO2014114285A2
Application number: PCT/DE2014/000022
Authority: WO
Inventors: John Sherlock; Christoph Beierke; Sebastian Frost
Original assignee: Ifa-Technologies Gmbh
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2014-07-31
Also published as: DE102013000984B3; WO2014114285A3

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem homokinetischen Festgelenk mit Crashfunktion zur Übertragung eines Drehmoments von einem ersten Wellenabschnitt auf einen zweiten Wellenabschnitt, bestehend aus einem Gelenkaußenteil (1) mit inneren Kugellaufbahnen (2), jeweils zwischen zwei inneren Kugellaufbahnen (2) verbleibenden Stegen (8) mit einen Käfig (7) zentrierenden Führungsflächen (9), einem Gelenkinnenteil (3) mit äußern Kugellaufbahnen (4), das Drehmoment übertragenden Kugeln (6), die in dem Käfig (7) geführt sind, wobei durch eine auf die Wellenabschnitte wirkende Axialkraft das Festgelenk eine axiale Verschiebung zwischen dem Gelenkaußenteil (1) und dem Gelenkinnenteil (3) zulässt, so dass die Wellenabschnitte ineinander teleskopieren können. Erfindungsgemäß ist jeweils das Ende (11) der Stege (8), das sich an der dem zu teleskopierenden Wellenabschnitt gegenüberliegenden Seite des Festgelenks befindet, radial nach außen freiliegend und somit als Sollbruchstelle (12) ausgebildet. Dadurch wird die Crasfunktion des Gelenkaußenteils durch eine verhältnismäßig einfache technologische Maßnahme erreicht, so dass das Gelenkaußenteil (1) wirtschaftlich günstig herstellbar ist.

Description

Homokinetisches Festgelenk mit Crashfunktion

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem homokinetischen Festgelenk mit Crashfunktion nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, das beispielsweise in Antriebs strängen von Kraftfahrzeugen einsetzbar ist, um im Fall einer auf den Antriebs sträng wirkenden unzulässig hohen Axialkraft, hervorgerufen z. B. durch einen Frontalaufprall, das Austreten von Gelenkteilen aus dem Antriebsstrang in den Fahrgastraum zu vermeiden.

Eine Crashfunktion von Gelenken wird durch konstruktive und/oder material technische Mittel erreicht, die bei Überschreiten einer vorgegebenen auf das Gelenk wirkenden Axialkraft eine Verformung des Gelenks oder von Teilen des Gelenks hervorrufen und/ oder unter Umständen bis zum Bruch des Gelenks oder einzelner Teile des Gelenks führen können. Die Verformung oder Zerstörung des Gelenks gibt dann den Weg frei für ein axiales Teleskopieren der mit dem Gelenk verbundenen Antriebswellen. Gleichzeitig wird durch die aufgebrachte Verformungsarbeit die durch den Aufprall entstandene Stoßenergie bis zu einer von der Auslegung der Verformungs teile^" des Gelenks abhängigen Grenze absorbiert, wie es beispielsweise in der DE 10 201 1 014 198 AI

BESTÄTIGUNGSKOPIE beschrieben ist. Bei dieser technischen Lösung sind die Wellen des Antriebsstrangs jedoch nicht durch ein Fest- sondern ein Verschiebegelenk verbunden. Daher sind die die Verformung bzw. den Bruch bewirkenden technischen Mittel auf mit dem Gelenk verbundene bzw. an das Gelenk angrenzende Teile, wie den Verschlussdeckel und die Verdeckkappe, gerichtet. Das Gleiche trifft auf die in der DE 10 2007 015 074 B4 beschriebene Längsantriebswelle für ein Kraftfahrzeug zu. Auch hier ist der Verschlussdeckel des Gleichlaufverschiebegelenks als Führungsund Sicherungselement ausgebildet und mit Sollbruchstellen versehen.

Bei Festgelenken ist ein Antriebsgelenk zur dreh- und axialfesten, jedoch eine begrenzte Winkelbewegung zulassenden Verbindung zwischen zwei Bauteilen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem die Außennabe des Gelenks bei Überschreiten einer bestimmten Axialkraft auf das Antriebsgelenk an zumindest einer Stelle aufbricht. Der näherungsweise in radialer Richtung verlaufende Riss in der Außennabe ermöglicht deren kurzzeitige Aufweitung, so dass die Innennabe aus der Außennabe ausrasten kann. Zum definierten Aufreißen der Außennabe weist diese wenigstens eine Sollbruchstelle auf. Als solche kann die zur Drehmomentübertragung vorgesehene Profilierung oder eine Kerbstelle in der Außennabe dienen (DE 10 2009 005 544 AI). Der Nachteil dieses Antriebsgelenks besteht darin, dass die Außennabe aus Sicherheitsgründen von einem Mitnehmergehäuse umgeben sein muss, das die Aufweitung ohne Zerstörung mitmacht. Neben der Abstimmung der Werkstoffe von Außennabe und Mitnehmergehäuse erfordert die technische Lösung einen zusätzlichen Fertigungs- und Montageaufwand. Ohne Zerstörung kommt ein teleskopierbares Antriebsgelenk zur dreh- und axialfesten, jedoch eine begrenzte Winkelbewegung zulassenden Verbindung zwischen einer ersten und einer zweiten Teilwelle einer Antriebwelle aus, das eine Innennabe als Gelenkinnenteil und eine Außennabe als Gelenkaußenteil sowie zwischen diesen vorgesehene Drehmomentübertragungsmittel als weitere Gelenkteile aufweist. Bei Überschreiten einer bestimmten Axialkraft in Richtung einer Teilwelle auf die andere Teilwelle rasten die Gelenkteile dadurch auseinander, dass die Außennabe als Deformationselement ausgebildet ist, d. h. unter plastischer und/ oder elastischer Verformung ein Ausrasten der Innennabe aus der Außennabe ermöglicht (WO 2005/056327 A2).

Nachteilig ist hierbei allerdings, dass bei der konstruktiven und werkstoffseitigen Auslegung der drehmomentübertragenden Bauteile, hier insbesondere der Außennabe, zusätzlich zu den die Belastung unter normalen Betriebsbedingungen betreffenden Parametern noch die Gewährleistung der plastischen und /oder elastischen Deformation Berücksichtigung finden muss. Das schränkt nicht nur die Werkstoffauswahl für diese Bauteile ein, sondern verteuert auch ihre Herstellung erheblich. Außerdem ist diese technische Lösung auf sog. Gegenbahngelenke eingeschränkt, bei denen zumindest ein Teil der Kugellaufbahnen eine gegenläufige Krümmung zueinander aufweisen, sodass die Kugeln bei Überschreitung einer auf das Gelenk wirkenden vorbestimmten Axialkraft, beispielsweise durch einen Frontalaufprall des Fahrzeugs, eine radial nach außen gerichtete Kraftkomponente auf das Ende der Laufbahnen ausüben, wodurch sich die Außennabe elastisch und/ oder plastisch aufweitet und die Kugeln aus dem Gelenk austreten. Die Erfindung und ihre Vorteile

Das erfindungsgemäße homokinetische Festgelenk mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den wesentlichen Vorteil, dass die Crasfunktion des Gelenkaußenteils durch eine verhältnismäßig einfache technologische Maßnahme erreicht wird und dadurch das Gelenkaußenteil wirtschaftlich günstig herstellbar ist. Außerdem brauchen die Festgelenke nicht als Gegenbahngelenke ausgelegt zu sein, da die Auslösung der Crashfunktion nicht von den Kugellaufbahnen ausgeht. Vielmehr geht die Crashfunktion von den Enden der zwischen den Kugellaufbahnen vorhandenen Stege, die den Käfig führen, aus, die sich auf der Seite des Gelenks befinden, die dem zu teleskopierenden Wellenabschnitt gegenüberliegt. Dieser kurze Endbereich der Stege ist als Sollbruchstelle radial nach außen freiliegend ausgebildet. Bei Gelenkaußenteilen mit Einführungsschräge für den Käfig ist das der Bereich des Steges, der der Einführungs schräge gegenüberliegt und bei dem die Führungs- und Zentrierfläche des Käfigs mit Mitteln zur Begrenzung der axialen Beweglichkeit des Käfigs versehen sind.

Bei einer auf die Teile des Festgelenks wirkenden, für dessen Funktion unzulässig hohen Axialkraft geben diese freiliegenden Endbereiche der Stege radial nach, so dass der Käfig mit dem Gelenkinnenteil das Gelenkaußenteil verläset. Somit sind die für die Crashfunktion des Festgelenks erforderlichen Mittel lediglich auf einen inneren Bereich des Gelenkaußenteils beschränkt. Weder muss sich das Gelenkaußenteil als Ganzes verformen noch muss es aufreißen. Lediglich die freiliegenden Endbereiche der Stege weiten sich bei einer radialen Belastung durch auf den Käfig wirkende axiale Kräfte auf und/ oder brechen ab. Die Erfindung ist sowohl für Festgelenke mit geraden als auch für Festgelenke mit gekrümmten Kugellaufbahnen anwendbar.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die freiliegenden Enden der Stege innerhalb der Breite des Gelenkaußenteils durch eine Reduzierung der Wandstärke der Stege im Bereich der auslaufenden Führungsflächen des Käfigs gebildet. Die Reduzierung der Wandstärke der Stege geht von der Seite des Festgelenks aus, die dem zu teleskopierenden Wellenabschnitt gegenüberliegt und erstreckt sich in axialer Richtung lediglich einen Bruchteil der Länge der Führungsfläche des Käfigs, die der Breite des Gelenkaußenteils entspricht. Durch die Reduzierung der Wandstärke in diesem Bereich liegt der Auslauf der sphärischen Führungsflächen des Käfigs innerhalb der Breite des Gelenkaußenteils frei und kann durch die radial nach außen wirkende Komponente der auf die Wellenabschnitte wirkenden überhöhten Axialkräfte nach außen gedrückt werden oder ganz und gar abbrechen, so dass der Weg für eine axiale Verschiebung des Käfigs frei ist.

Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die freiliegenden Enden der Stege durch eine koaxial zu den Führungsflächen des Käfigs eingebrachte Nut gebildet. Diese lässt sich fertigungstechnisch sehr einfach entweder bereits bei der Herstellung des Rohlings des Gelenkaußenteils vorsehen oder nachträglich durch eine spanende Bearbeitung einbringen und gewährleistet für alle freiliegenden Enden der Stege eine einheitliche Wandstärke.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht die verbleibende Wandstärke der Stege etwa der doppelten Einhärtetiefe in diesem Bereich oder ist geringer. Wenn die Wandstärke so groß gewählt wird, dass sie der doppelten Einhärtetiefe entspricht, ist eine Durchhärtung des freiliegenden Endes der Stege gewährleistet und der Bereich der Sollbruchstelle dadurch so spröde, dass das freiliegende Ende des Stegs an dieser Stelle abbricht. Über die Wandstärke und den Härtegrad des freiliegenden Endes der Stege lässt sich die Kraft bestimmen, bei der die Crashfunktion des Festgelenks eintreten soll.

Andererseits ist diese Kraft aber auch durch die Einstellung des Härtegrades und/oder der Härtetiefe in diesem Bereich bestimmbar. So ist es durchaus möglich, diesen Bereich nur von der Führungsfläche des Käfigs her zu härten bzw. die Härtung der Führungsfläche als ausreichend zu betrachten, so dass die übrige Wandstärke weich bleibt. Dadurch kann u. U. eine elastische oder plastische Verformung der freiliegenden Enden der Stege erzielt und ein Abbrechen derselben vermieden werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Nut als Aufnahme für einen Verschlussdeckel ausgebildet. Dieser weist einen breiten ringförmigen Rand auf, dessen Überdeckung mit dem Innenmantel des Gelenkaußenteils den Dichtsitz gewährleistet. Der ringförmige Rand ragt in die Nut hinein. Durch diese Doppelfunktion der Nut lässt sich das Festgelenk auf einfache Weise mit einem Verschlussdeckel komplettieren und kann auch kürzer und damit leichter ausgelegt werden, da der Dichtsitz in das Innere des Gelenkaußenteils hinein verlagert wurde, also teilweise koaxial zu den Führungsflächen des Käfigs verläuft.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes homokinetisches Festgelenk mit geraden Kugellaufbahnen,

Fig. 2 einen Längsschnitt an der Stelle A-A gem. Fig. 1 mit Ansicht in isometrischer Darstellung,

Fig. 3 einen Längsschnitt an der Stelle B-B gem. Fig. 1 mit

Ansicht in isometrischer Darstellung,

Fig. 4 das homokinetische Festgelenk gem. Fig. 1-3 mit einem aus seiner Ursprungslage ausgerasteten Käfig,

Fig. 5 das homokinetische Festgelenk gem. Fig. 1-3 mit fortgesetzt ausgerastetem Käfig und ausgerastetem Verschlussdeckel,

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes homokinetisches Festgelenk mit gekrümmten Kugellaufbahnen,

Fig. 7 einen Längsschnitt an der Stelle A-A gem. Fig. 6 mit Ansicht in isometrischer Darstellung und

Fig. 8 einen Längsschnitt an der Stelle B-B gem. Fig. 6 mit

Ansicht in isometrischer Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte homokinetische Festgelenk besteht aus einem Gelenkaußenteil 1 mit über den Umfang in gleichmäßigen Winkelpositionen verteilten, axial verlaufenden geraden inneren Kugellaufbahnen 2 und einem Gelenkinnenteil 3 mit den inneren Kugellaufbahnen 2 radial gegenüberliegenden, axial verlaufenden äußeren geraden Kugellaufbahnen 4. An seiner offenen Seite ist das Gelenkaußenteil 1 mit hier nicht näher dargestellten Mitteln zur drehfesten Verbindung mit einer rohrförmigen Welle versehen. Der Innenmantel des Gelenkinnenteils 3 ist zur Aufnahme einer Welle oder eines Wellenzapfens mit einem Keilwellenprofil 5 versehen. Diese sind hier, ebenso wie die mit dem Gelenkaußenteil 1 zu verbindende rohrförmige Welle, nicht näher dargestellt und in der Beschreibung und den Ansprüchen allgemein als„erster und zweiter Wellenabschnitt" bezeichnet. Gelenkaußen- und Innenteil 1, 3 sind über drehmomentübertragende Kugeln 6, die von einem Käfig 7 in den geraden inneren und äußeren Kugellaufbahnen 2, 4 positioniert werden, koaxial beabstandet. Zwischen den geraden inneren Kugellaufbahnen 2 sind Stege 8 gebildet, die in axialer und Umfangsrichtung konkav gekrümmte Führungsflächen 9 für den Käfig 7 aufweisen.

Die Schnittebene A-A gem. Fig. 1 verläuft durch den Grund der geraden Kugellaufbahnen 2, 4 und die Schnittebene B-B axial mittig durch die Stege 8. Die Ansicht zu Schnitt A-A sowie dessen räumliche Darstellung sind in Fig. 2 und die Ansicht zu Schnitt B-B sowie dessen räumliche Darstellung in Fig. 3 gezeigt.

Von der Seite des Festgelenks her, an der der erste Wellenabschnitt mit dem Gelenkaußenteil 1 verbunden ist, ist in die Stirnfläche der Stege 8 koaxial zu den Führungsflächen 9 eine Nut 10 eingestochen, deren Einstichbreite so gewählt ist, dass die Kugellaufbahnen 2 über die gesamte Tiefe der Nut 10 zwischen den Stegen 8 unterbrochen sind, d. h. in dem Maß, das der Tiefe der Nut 10 entspricht, sind die Kugellaufbahnen 2 gegenüber den Führungsflächen 9 des Käfigs 7 verkürzt. Wie in beiden Darstellungen des Festgelenks erkennbar, sind durch den Einstich der Nut 10 freiliegende Enden 11 der Stege 8 entstanden, die in radialer Verlängerung des Nutgrundes eine kritische Wandstärke aufweisen und dadurch in diesem Bereich eine Sollbruchstelle 12 bilden. Von der Einstichseite der Nut 10 her ist das Festgelenk mit einem Verschlussdeckel 13 verschlossen, der einen verhältnismäßig breiten ringförmigen Bund 14 aufweist, dessen Wandstärke deutlich kleiner ist als die Einstichbreite der Nut 10. Somit liegt dieser Bund 14 lediglich mit seinem äußeren Umfang an der äußeren Flanke der Nut 10 des Gelenkaußenteils 1 an und behindert auf keinen Fall die radiale Verformung der freiliegenden Enden 11 der Stege 8 bei einer axialen Verschiebung des Käfigs 7 infolge einer Krafteinwirkung auf diesen. Die Breite des ringförmigen Bundes 14 entspricht im vorliegenden Beispiel einer minimalen Überdeckung a_min für den Dichtsitz, durch den der Verschlussdeckel 13 zentriert und gehalten ist und gleichzeitig das Festgelenk von dieser Seite her abdichtet. Für die Winkelbeweglichkeit des Gelenks muss zwischen dem Verschlussdeckel 13 und dem Käfig 7 ein Mindestabstand b_min eingehalten werden.

In den Fig. 4 und 5 ist das Verhalten des Festgelenks in einem Crashfall dargestellt. Wirkt beispielsweise auf die mit dem Gelenkaußenteil 1 und/ oder dem Gelenkinnenteil 3 verbundenen Wellenabschnitte eine Axialkraft, wird diese über die Kugeln 6 auf den Käfig 7 übertragen, wodurch dieser versucht, in Richtung des Verschlussdeckels 13 auszuweichen. Aufgrund der ballig konkav geformten Führungsflächen 9 des Käfigs 7 wirkt auf die freiliegenden Enden 11 der Stege 8 die radiale Kraftkomponente dieser Axialkraft nach außen. Bei Überschreitung eines bestimmten Betrages dieser Axialkraft wird die radiale Kraftkomponente auf die freiliegenden Enden 11 der Stege 8 so stark, dass diese, wie aus Fig. 4 zu erkennen, nachgeben und im Bereich der Verlängerung des Nutgrundes, nämlich an der Sollbruchstelle 12, abbrechen. Dadurch ist der weitere axiale Weg für den Käfig 7 in Richtung des Verschlussdeckels 13 frei. Der Mindestabstand b_min ist nicht mehr vorhanden, so dass der Käfig am Verschlussdeckel 13 anstößt. Bis zu diesem Augenblick hat sich der Verschlussdeckel noch nicht aus dem Gelenkaußenring 1 heraus bewegt, so dass die minimale Uberdeckung noch vorhanden ist.

Fig. 5 zeigt nun den Fall, dass die Axialkräfte bis dahin noch nicht vollständig abgebaut sind und der Käfig 7 weiter verschoben wird. Dabei stößt er mit seiner Stirnfläche an dem Verschlussdeckel 13 an, wodurch die Befestigung des Bundes 14 in der Nut 10 gelöst, der Verschlussdeckel 13 aus dem Gelenkaußenteil 1 heraus bewegt wird und die Wellenabschnitte ineinander teleskopieren können, ohne dass Teile des Festgelenks nach außen treten.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Festgelenks mit gekrümmten inneren Kugellaufbahnen 15 im Gelenkaußenteil 1 und gekrümmten äußeren Kugellaufbahnen 16 im Gelenkinnen teil 3. Alle anderen Bauteile dieses Festgelenks, die den bereits in den Fig. 1 bis 5 des ersten Ausführungsbeispiels genannten Bauteilen entsprechen, wurden mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Ihre Funktion und Wirkungsweise ist der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen gleich.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Bezugszahlenliste

1 Gelenkaußenteil

2 Gerade innere Kugellaufbahn

3 Gelenkinnenteil

4 Gerade äußere Kugellaufbahn

5 Keilwellenprofil

6 Kugeln

7 Käfig

8 Steg

9 Führungsfläche

10 Nut

1 1 Freiliegendes Ende

12 Sollbruchstelle

13 Verschlussdeckel

14 Bund

15 Gekrümmte innere Kugellaufbahn

16 Gekrümmte äußere Kugellaufbahn amin Minimale Überdeckung

bmin Mindestabstand

Claims

IFA-Technologies GmbH, 39340 Haldensleben Homokinetisches Festgelenk mit Crashfunktion Ansprüche

1. Homokinetisches Festgelenk mit Crashfunktion zur Übertragung eines Drehmoments von einem ersten Wellenabschnitt auf einen zweiten Wellenabschnitt, bestehend aus

einem Gelenkaußenteil (1) mit inneren Kugellaufbahnen (2), jeweils zwischen zwei inneren Kugellaufbahnen (2) verbleibenden Stegen (8) mit einen Käfig (7) zentrierenden Führungsflächen (9) sowie Mitteln zur drehfesten Aufnahme des ersten Wellenabschnitts,

einem Gelenkinnenteil (3) mit äußeren Kugellaufbahnen (4), die im montierten Zustand den inneren Kugellaufbahnen (2) des Gelenkaußenteils (1) gegenüber liegen, und Mitteln zur drehfesten Aufnahme des zweiten Wellenabschnitts, das Drehmoment übertragenden Kugeln (6), die in dem Käfig (7) geführt sind,

wobei durch eine bestimmte auf die Wellenabschnitte wirkende Axialkraft das Festgelenk eine axiale Verschiebung zwischen dem Gelenkaußenteil (1) und dem Gelenkinnenteil (3) zulässt, so dass die Wellenabschnitte ineinander teleskopieren können, dadurch gekennzeichnet,

dass jeweils das Ende (1 1) der Stege (8), das sich an der dem zu teleskopierenden Wellenabschnitt gegenüberliegenden Seite des Festgelenks befindet, radial nach außen freiliegend und somit als Sollbruchstelle (12) ausgebildet ist.

2. Homokinetisches Festgelenk nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die freiliegenden Enden (1 1) der Stege (8) innerhalb der Breite des Gelenkaußenrings (1) durch eine Reduzierung der Wandstärke der Stege (8) im Bereich der auslaufenden Führungsflächen (9) des Käfigs (7) gebildet sind.

3. Homo kinetisches Festgelenk nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Reduzierung der Wandstärke im Bereich der freiliegenden Enden (1 1) der Stege (8) durch eine koaxial zu den Führungsflächen (9) des Käfigs (7) in den Außenring (1) eingebrachte Nut (10) gebildet ist.

4. Homokinetisches Festgelenk nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die verbleibende Wandstärke der Stege (8) kleiner gleich der doppelten Einhärtetiefe in diesem Bereich ist.

5. Homo kinetisches Festgelenk nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Nut (10) als Aufnahme für einen Verschlussdeckel (13) ausgebildet ist.