DE102006006980B4

DE102006006980B4 - Antriebswelle und Gleichlaufgelenk hierfür

Info

Publication number: DE102006006980B4
Application number: DE102006006980.3A
Authority: DE
Inventors: Claus Disser
Original assignee: Shaft Form Engineering GmbH
Current assignee: Shaft Form Engineering GmbH
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: DE102006006980A1

Abstract

Antriebswelle die wenigstens einen Hohlwellenabschnitt (8), der wenigstens eine Zone mit definiertem plastischen Verformungsverhalten aufweist, und wenigstens ein Gleichlauffestgelenk (1) aufweist, dessen Außennabe (3) mit dem Hohlwellenabschnitt (8) verbunden ist und das über einen Deckel (10) gegenüber dem Hohlwellenabschnitt (8) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (10) und der Hohlwellenabschnitt (8) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Innennabe (2) des Gleichlaufgelenks (1) infolge einer auf diese wirkenden Axialkraft nicht in den Hohlwellenabschnitt (8) eindringen kann, wobei zwischen der Innennabe (2) und dem Deckel (10) ein Abstand angeordnet ist, so dass der Deckel (10) eine Anschlagfläche definiert, die eine axiale Verschiebung der Innennabe (2) relativ zu der Außennabe (3) begrenzt und eine Beugung der Innennabe (2) relativ zu der Außennabe (3) ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle, insbesondere eine Längswelle für Kraftfahrzeuge, die wenigstens einen Hohlwellenabschnitt und wenigstens ein Gleichlaufgelenk aufweist, dessen Außennabe mit dem Hohlwellenabschnitt verbunden ist und das über einen Deckel gegenüber dem Hohlwellenabschnitt abgedichtet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein in einer derartigen Antriebswelle einsetzbares Gleichlaufgelenk.
Ein Gleichlaufgelenk der oben genannten Art für eine Antriebswelle ist aus der DE 102 09 993 A1 bekannt. Bei diesem als Gegenbahngelenk ausgebildeten Gelenk ist die Außennabe von einem Aufnahmeteil umgriffen, wobei zwischen dem Aufnahmeteil und der Außennabe eine Dichtscheibe bzw. ein Deckel vorgesehen ist, der das Eindringen von Schmutz in das Gelenk verhindern soll. Beispielsweise bei einem Frontalzusammenstoß wirken auch auf die Antriebswelle hohe Axialkräfte, durch welche das Gleichlaufgelenk zerstört werden kann, so dass die Innennabe in die mit der Außennabe verbundene Hohlwelle eindringen kann. Der Deckel, der lediglich zur Abdichtung des Gelenkes dient, bildet dabei keinen nennenswerten Widerstand, sondern lässt sich schon bei vergleichsweise geringen Kräften gemeinsam mit der Innennabe in die Hohlwelle einschieben.
Bei Kraftfahrzeugen wird heute unter anderem auch die Antriebswelle im Hinblick auf mögliche Crashbeanspruchungen ausgelegt, so dass die Antriebswelle bei einer bspw. unfallbedingt auftretenden hohen Axialkraft Energie aufnimmt und sich verformt. Die Verformung soll dabei möglichst derart erfolgen, dass die Antriebswelle nicht in den Innenraum des Fahrzeugs eindringen kann, um so das Verletzungsrisiko für die Insassen gering zu halten. Hierzu wird in der DE 42 27 967 A1 eine Antriebswelle vorgeschlagen, die eine Zone mit definiert reproduzierbarem plastischen Verformungsverhalten aufweist. Diese Zone ist derart ausgelegt, dass sich die Abschnitte der als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle bereichsweise aufeinander auffalten und ineinander schieben. Bei dieser auch als Stülprohr bezeichneten Ausgestaltung einer Antriebswelle wird bei Übersteigen einer definierten Axialkraft die Antriebswelle gezielt unter hohem Energieabbau deformiert.
Falls eine derartig ausgebildete Antriebswelle ein oben beschriebenes Gleichlaufgelenk aufweist, kann bei einer unfallbedingt auftretenden hohen Axialkraft zunächst ein rascher Anstieg der Kraft bei einem geringen Verformungsweg auftreten, bis das Gleichlaufgelenk zerstört ist. Danach kann die Innennabe des Gleichlaufgelenks gemeinsam mit dem Deckel mit vergleichsweise geringer Kraft um eine bestimmte Wegstrecke in die Hohlwelle eingeschoben werden, bevor die Hohlwelle bspw. an dem Getriebe oder dem Differential anstößt. Erst dann wird sich die Welle unter großer Kraftaufnahme verformen. Durch diesen rasch aufeinander folgenden Anstieg, Abfall und erneuten Anstieg der Verformungskraft wirken auf die Fahrzeuginsassen wechselnde Beschleunigungen, die Verletzungen, wie bspw. ein Halswirbelsäulensyndrom oder gar schwerere Verletzungen hervorrufen können.
DE 197 51 444 C1 und US 6,261,184 B1 zeigen jeweils Gelenke, bei denen der Außendurchmesser der Innennabe größer als der Innendurchmesser einer mit dem Gelenk verbundenen Hohlwelle ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Antriebswelle der eingangs genannten Art sowie ein Gleichlaufgelenk zu schaffen, welche hinsichtlich des Crashverhaltens weiter optimiert sind.
Diese Aufgabe wird mit den Ansprüchen 1 und 3 gelöst. Bei einer Antriebswelle sind der Deckel und der Hohlwellenabschnitt derart ausgebildet und angeordnet, dass die Innennabe des Gleichlaufgelenks in Folge einer insbesondere unfallbedingt auf diese wirkende Axialkraft zumindest nicht wesentlich in den Hohlwellenabschnitt eindringen kann. Die zur Verformung der
Antriebswelle und des Gleichlaufgelenks erforderliche Kraft steigt folglich rasch an, ohne für eine im Wesentlichen kraftlose Verschiebung der Innennabe in der Hohlwelle abzufallen. Bei der erfindungsgemäßen Antriebswelle kann folglich im Wesentlichen unmittelbar nach der Zerstörung des Gleichlaufgelenks die definierte Verformung der Antriebswelle erfolgen, so dass auf die Fahrzeuginsassen möglichst gleichmäßige Verzögerungen wirken.
Der Hohlwellenabschnitt der Antriebswelle weist dabei vorzugsweise eine Zone mit definiertem plastischen Verformungsverhalten auf. Insbesondere kann die Antriebswelle in der Art eines Stülprohres ausgebildet sein, bei welchem ein hoher Energieabbau während der Verformung erfolgt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiter durch ein Gleichlaufgelenk gelöst, bei welchem der Deckel eine Anschlagfläche definiert, die eine insbesondere unfallbedingte axiale Verschiebung der Innennabe relativ zu der Außennabe begrenzt. Damit der Deckel die im Betrieb erforderliche maximale Beugung der Innennabe relativ zu der Außennabe nicht beeinträchtigt, ist zwischen der Innennabe und dem Deckel vorzugsweise ein zumindest geringer Abstand vorgesehen. Hierdurch wird die axiale Verschiebung der Innennabe relativ zu der Außennabe auf bspw. weniger als 25 mm begrenzt. Um die Fahrzeuginsassen einer möglichst gleichmäßigen Verzögerung auszusetzen, wird es jedoch bevorzugt, wenn die maximale Verschiebung zwischen der Innennabe und der Außennabe durch den Deckel auf weniger als 15 mm, bspw. auf etwa 10 mm begrenzt wird.
Um nach einer Zerstörung des Gleichlaufgelenks in Folge einer hohen Axialkraft eine gezielte Deformation der Antriebswelle einzuleiten, muss der Deckel durch geeignete Wahl seiner Geometrie und/oder seines Materials einer von der Innennabe übertragenen Axialkraft von wenigstens 50 kN standhalten. Die Höhe dieser von dem Deckel aufzunehmenden Axialkraft ist von der Höhe der Kraft abhängig, bei welcher die gezielte Deformation der Antriebswelle einsetzt. Es ist daher häufig erforderlich, dass der Deckel einer Axialkraft von über 100 kN, vorzugsweise von über 150 kN oder von etwa 250 kN standhält.
Um den Weg, den die Innennabe relativ zu der Außennabe verschoben werden kann, zu begrenzen, weist der Deckel vorzugsweise einen der Innennabe zugewandten Vorsprung auf, der die Anschlagfläche für die Innennabe bildet. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann der Deckel zur Versteifung mit Sicken, Rippen, Aufkantungen oder dgl. versehen sein. Wenn der Deckel nicht bereits durch seine Form und/oder Kontur so ausgelegt ist, dass er einer hohen Axialkraft standhalten kann, kann der Deckel auch aus einem hochfesten Metall oder aus einem bspw. faserverstärkten Kunststoff bestehen.
Um den Deckel in geeigneter Weise an der Außennabe und/oder an der Antriebswelle zu fixieren, kann die Außennabe wenigstens bereichsweise von einem insbesondere einen Hohlwellenabschnitt bildenden Aufnahmeteil drehfest umgriffen sein, wobei in diesem Aufnahmeteil der Deckel gehalten ist. Selbstverständlich kann der Deckel auch mit der Außennabe und/oder der Antriebswelle verschweißt oder in anderer geeigneter Weise verbunden werden. Hierzu kann das Aufnahmeteil, die Außennabe und/oder die Antriebswelle einen Absatz, eine Einkerbung oder dgl. aufweisen, an welchen der Deckel anliegen kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Innennabe insbesondere einstückig mit einer Hülse verbunden, die eine Innenverzahnung zur drehfesten Verbindung mit einem Getriebe- oder Differentialzapfen aufweist. Die Innennabe lässt sich bei dieser Ausgestaltung unmittelbar auf einen Zapfen der Getriebeausgangs- oder der Differentialeingangswelle aufstecken, wodurch die Antriebswelle nicht nur leichter montierbar ist, sondern auch optimal zentriert wird.
Weiter wird es bevorzugt, wenn das Gleichlaufgelenk bspw. ähnlich dem in der DE 102 09 933 A1 beschriebenen Aufbau als ein Gegenbahngelenk ausgebildet ist, bei welchem der Käfig in der Außennabe durch Käfigzentrierungsflächen geführt ist.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Antriebswelle bzw. das Gleichlaufgelenk sind nicht nur bei Längswellen in Kraftfahrzeugen einsetzbar, sondern eignen sich bspw. auch für die Montage in einer Seitenwelle. Da die im Betrieb erforderliche maximale Beugung eines Gelenks in einer Seitenwelle meist deutlich über der für eine Längsantriebswelle erforderlichen Beugung liegt, ist der Abstand des Deckels zu den Gelenkteilen, wie insbesondere der Innennabe, so zu wählen, dass eine ausreichend große Beugung des Gelenks von bspw. etwa 10° bei einer Längswelle oder etwa 20° bei einer Seitenwelle ermöglicht wird.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Die einzige Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Gleichlaufgelenk 1, welches eine Innennabe 2, eine Außennabe 3 und zur Drehmomentübertragung zwischen der Innennabe 2 und der Außennabe 3 in einem Käfig 4 aufgenommene Kugeln 5 aufweist.
Das Gleichlaufgelenk 1 ist als ein Gegenbahngelenk ausgebildet, so dass sowohl die Innennabe 2 als auch die Außennabe 3 jeweils abwechselnd um den Umfang verteilt angeordnete erste Innenlaufrillen bzw. erste Außenlaufrillen und zweite Innenlaufrillen bzw. zweite Außenlaufrillen aufweisen. Die in der Figur dargestellten ersten Innenlaufrillen 2a bilden zusammen mit den ersten Außenlaufrillen 3a ein Laufrillenpaar, in welchem jeweils eine Kugel 5 aufgenommen ist.
In der Innenfläche der Außennabe 3 sind zwischen den Außenlaufrillen paarweise aneinander angrenzende erste und zweite Käfigzentrierungsflächen ausgebildet, von denen in der Figur lediglich die ersten Käfigzentrierungsflächen 3b erkennbar sind. Die ersten Käfigzentrierungsflächen 3b grenzen jeweils an die ersten Außenlaufrillen 3a an, während die zweiten Käfigzentrierungsflächen an die zweiten Außenlaufrillen angrenzen. Die ersten und zweiten Käfigzentrierungsflächen verlaufen von jeweils gegenüberliegenden Enden der Außennabe 3 in entgegengesetzter Richtung hinterschnittfrei und nähern sich dabei der Außennabenachse an. Durch die derart ausgebildeten Käfigzentrierungsflächen kann der Käfig 4 in der Außennabe 3 geführt werden.
Die Innennabe 2 ist als ein hülsenartiges Bauteil ausgebildet, auf dessen Außenfläche die Innenlaufrillen vorgesehen sind, und dessen Innenfläche bereichsweise mit einer Innenverzahnung 6 versehen ist, so dass die Innennabe 2 bspw. auf eine Getriebeausgangs- oder eine Differentialeingangswelle aufgesteckt werden kann.
Die Außennabe 3 ist in der dargestellten Ausführungsform von einem Aufnahmeteil 7 umgriffen, welches drehfest mit der Außennabe 3 verbunden ist. Auf der der Innennabe 2 abgewandten Seite bildet das Aufnahmeteil 7 einen Hohlwellenabschnitt 8 der einstückig in eine Antriebswelle übergehen kann oder in geeigneter Weise, bspw. durch eine Verschweißung, mit dieser verbunden sein kann. Im Übergang zwischen dem Aufnahmeteil 7 und dem Hohlwellenabschnitt 8 ist ein stufenartiger Absatz 9 ausgebildet, in welchen ein Deckel 10 eingesetzt ist. Der Deckel 10 dichtet dabei das Gleichlaufgelenk 1 gegenüber dem Hohlwellenabschnitt 8 ab.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist der Deckel 10 mit einem zentralen Vorsprung 11 versehen, der sich in Richtung auf die Innennabe 2 erstreckt. Zwischen diesem Vorsprung 11 des Deckels 10 und der Innennabe 2 verbleibt ein Spalt 12, so dass die Innennabe 2 relativ zu der Außennabe 3 verschwenkt werden kann, ohne dass die Innennabe 2 an den Deckel 10 anstößt. Der Spalt 12 ist jedoch möglichst gering gewählt und beträgt bspw. etwa 10 mm. Zur Versteifung sind in den Deckel 10 mehrere radial verlaufende Sicken 13 eingebracht.
Wenn bspw. in Folge eines Unfalls auf das Gleichlaufgelenk 1 eine in der Figur durch die Pfeile angedeutete Axialkraft wirkt, wird das Gelenk zerstört, so dass die im Betriebszustand fest in der Außennabe 3 gehaltene Innennabe 2 in axialer Richtung frei in der Außennabe 3 verschiebbar wird. Die Innennabe 2 wird in Folge der Axialkraft um die durch den Spalt 12 definierte Strecke verschoben, bis die Innennabe 2 an dem Vorsprung 11 des Deckels 10 anliegt, der somit eine Anschlagfläche für die Innennabe 2 bildet. Aufgrund der hohen Steifigkeit des Deckels 10 und da dieser in dem Absatz 9 in axialer Richtung festgehalten ist, kann die Innennabe 2 nicht weiter in den Hohlwellenabschnitt 8 eindringen. Wenn die auf das Gleichlaufgelenk 1 wirkende Axialkraft weiter ansteigt, verformt sich folglich die nicht dargestellte Antriebswelle definiert bspw. in der Art eines Stülprohres. Hierbei wird eine hohe Energie abgebaut.
Über die Kontur, das Material und/oder die Form des Deckels 10 kann folglich sowohl der maximale von der Innennabe 2 zurücklegbare Verschiebeweg als auch die Kraftaufnahme des Deckels 10 definiert festgelegt werden. So kann der Deckel 10 bspw. eine unfallbedingte Axialkraft von etwa 150 kN bis 200 kN abstützen, ohne dass die Innennabe 2 in den Hohlwellenabschnitt 8 eindringen kann.
Die in der Figur dargestellte Ausgestaltung des Deckels 10 mit dem Vorsprung 11 ist so gewählt, dass die Innennabe 2 die für den Betrieb des Gleichlaufgelenks erforderliche Beugung relativ zu der Außennabe 3 ausführen kann, ohne dass die Innennabe 2 mit dem Vorsprung 11 in Kontakt tritt. Eine darüber hinausgehende Beugung der Innennabe 2 relativ zu der Außennabe 3 kann jedoch durch ein Anschlagen der Innennabe 2 an dem Vorsprung 11 des Deckels 10 begrenzt werden, so dass die Kugeln 5 bspw. während der Montage durch eine zu starke Überbeugung des Gelenkes nicht aus den Laufrillen herausfallen können.
Alternativ zu der dargestellten Kontur des Deckels 10 und des Vorsprungs 11 können beliebige andere Gestaltungen gewählt werden, bspw. mit einem im Querschnitt rechteckigen Vorsprung, solange hierdurch der bei einer bspw. unfallbedingten hohen Axialkraft auftretende maximale Verschiebeweg der Innennabe 2 möglichst kurzgehalten wird.

Claims

Antriebswelle die wenigstens einen Hohlwellenabschnitt (8), der wenigstens eine Zone mit definiertem plastischen Verformungsverhalten aufweist, und wenigstens ein Gleichlauffestgelenk (1) aufweist, dessen Außennabe (3) mit dem Hohlwellenabschnitt (8) verbunden ist und das über einen Deckel (10) gegenüber dem Hohlwellenabschnitt (8) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (10) und der Hohlwellenabschnitt (8) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Innennabe (2) des Gleichlaufgelenks (1) infolge einer auf diese wirkenden Axialkraft nicht in den Hohlwellenabschnitt (8) eindringen kann, wobei zwischen der Innennabe (2) und dem Deckel (10) ein Abstand angeordnet ist, so dass der Deckel (10) eine Anschlagfläche definiert, die eine axiale Verschiebung der Innennabe (2) relativ zu der Außennabe (3) begrenzt und eine Beugung der Innennabe (2) relativ zu der Außennabe (3) ermöglicht.
Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlwellenabschnitt wenigstens eine Zone mit definiertem plastischen Verformungsverhalten in der Art eines Stülprohres aufweist.
Gleichlauffestgelenk für eine Antriebswelle nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Innennabe (2), einer Außennabe (3), einem zwischen der Innennabe und der Außennabe angeordneten Käfig (4), in welchem Kugeln (5) aufgenommen sind, die zur Drehmomentübertragung in Laufbahnen (2a, 3a) in der Innennabe (2) und der Außennabe (3) eingreifen, und mit einem die Außennabe (3) abdichtenden Deckel (10), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innennabe (2) und dem Deckel (10) ein Abstand angeordnet ist, so dass der Deckel (10) eine Anschlagfläche definiert, die eine axiale Verschiebung der Innennabe (2) relativ zu der Außennabe (3) begrenzt und eine Beugung der Innennabe (2) relativ zu der Außennabe (3) ermöglicht.
Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (10) eine axiale Verschiebung der Innennabe (2) relativ zu der Außennabe (3) auf weniger als 25 mm begrenzt.
Gleichlauffestgelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (10) durch geeignete Wahl der Geometrie und/oder des Materials des Deckels (10) einer von der Innennabe (2) übertragenen Axialkraft von wenigstens 50 kN standhält.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (10) einen der Innennabe (2) zugewandten Vorsprung (11) aufweist, der die Anschlagfläche bildet.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (10) zur Versteifung Sicken (13), Rippen oder Aufkantungen aufweist.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (10) aus einem hochfesten Metall oder aus einem Kunststoff besteht.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (10) die im Betrieb erforderliche maximale Beugung der Innennabe (2) relativ zu der Außennabe (3) nicht beeinträchtigt.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Außennabe (3) wenigstens bereichsweise von einem Aufnahmeteil (7) drehfest umgriffen ist, und dass der Deckel (10) in dem Aufnahmeteil (7) gehalten ist.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Innennabe (2) mit einer Hülse verbunden ist, die eine Innenverzahnung zur drehfesten Verbindung mit einem Getriebe- oder Differentialzapfen aufweist.
Gleichlauffestgelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Innennabe (2) erste und zweite Innenlaufrillen (2a) als Gegenbahnen abwechselnd verteilt angeordnet sind, dass in der Außennabe (3) erste und zweite Außenlaufrillen (3a) als Gegenbahnen abwechselnd verteilt angeordnet sind, und dass der Käfig (4) in der Außennabe (3) geführt ist, wobei in der Innenfläche der Außennabe (3) zwischen den Außenlaufrillen (3a) paarweise aneinander angrenzende erste Käfigzentrierungsflächen und zweite Käfigzentrierungsflächen ausgebildet sind, wobei die ersten Käfigzentrierungsflächen jeweils an die ersten Außenlaufrillen und die zweiten Käfigzentrierungsflächen an die zweiten Außenlaufrillen angrenzen und die ersten Käfigzentrierungsflächen von einem ersten Ende ausgehend in Richtung auf das gegenüberliegende zweite Ende verlaufen und sich dabei der Außennabenachse annähern, und die zweiten Käfigzentrierungsflächen von dem zweiten Ende ausgehend in Richtung auf das erste Ende verlaufen und sich dabei der Außennabenachse annähern.