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Die Erfindung betrifft eine Antriebswellenanordnung mit Zusatzmasse, insbesondere für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Aus der
DE 102 32 351 A1 ist ein Drehschwingungsdämpfer zum Absorbieren von Schwingungen in einer rotierenden Antriebswelle bekannt. Der Drehschwingungsdämpfer umfasst eine Anordnung mit mehreren Massegliedern. Dabei sind zwei Halbschalen mit jeweils einem Masseglied vorgesehen, wobei die beiden Halbschalen ineinandergreifen und gemeinsam in der Antriebswelle befestigbar sind.
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Aus der
DE 37 40 756 A1 ist eine drehelastische Hohlwelle mit einem Wellenrohr aus faserverstärktem Kunststoff bekannt. Das Wellenrohr hat einen kürzeren zylindrischen Abschnitt und einen längeren konischen Abschnitt. In den konischen Rohrabschnitt ist ein konischer Rohrkörper in reibender Anlage eingesetzt, der axial durch die Kraft einer Schraubenfeder unter Vorspannung gegenüber der Rohrwandung gehalten wird. Die Schraubenfeder stützt sich an einem mit dem Wellenrohr fest verbundenen Anschlussteil in Form eines Gelenkaußenteils ab.
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Moderne Kraftfahrzeuge müssen im Hinblick auf die Geräusch- und Vibrationsrauhigkeit, die auch als „Noise-Vibration-Harshness” (NVH) bezeichnet wird, hohe Anforderungen erfüllen. Insbesondere Längsantriebswellen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs können einen merklichen Einfluss auf die Geräusch- und Schwingungsentwicklung haben, die der Fahrzeuginsasse unter Umständen als nachteilig oder störend empfindet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebswelle, insbesondere für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, vorzuschlagen, die verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Akustik bei Betrieb aufweist und dabei einfach und kostengünstig herstellbar bzw. montierbar ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Antriebswelle, die verbesserte akustische Eigenschaften im Betrieb aufweist.
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Die Lösung besteht in einer Antriebswellenanordnung, insbesondere zur Drehmomentübertragung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Hohlwelle mit zumindest einer in der Hohlwelle angeordneten Zusatzmasse, wobei die Zusatzmasse eine Schraubenfeder aufweist, die radial vorgespannt ist und kraftschlüssig gegenüber einer Innenwandung der Hohlwelle fixiert ist.
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Ein erster Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung besteht in der Ausgestaltung der Zusatzmasse in Form einer Schraubenfeder. Denn die Schraubenfeder kann auf einfache Weise mit der Hohlwelle verbunden werden und wirkt dort als Zusatzmasse, wodurch die Biegeeigenfrequenz der Antriebswelle reduziert und damit günstig beeinflusst wird. Die auftretenden Schwingungen werden durch die Zusatzmasse in andere Ordnungen verlagert, so dass störende Geräusche bei Betrieb der Antriebswelle reduziert werden. Dabei hat die Schraubenfeder als Zusatzmasse die positive Eigenschaft, dass diese biege- und torsionsweich ist, so dass die Schraubenfeder selbst nicht zu einer ungewünschten Versteifung der Antriebswelle führt. Dadurch wirkt die Schraubenfeder nahezu ausschließlich als reine Zusatzmasse und beeinflusst dadurch die Biegeeigenfrequenzen der Antriebswelle deutlich.
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Aufgrund der radialen Vorspannung sitzt die Schraubenfeder kraftschlüssig bzw. reibschlüssig in der Hohlwelle ein, die auch als Wellenrohr bezeichnet werden kann. Die Schraubenfeder erfüllt dabei in vorteilhafter Weise zwei Funktionen, nämlich erstens bildet die Schraubenfeder eine Zusatzmasse, die das Geräuschverhalten der Antriebswelle bei Betrieb verbessert; zweitens dient die radiale Vorspannkraft der Schraubenfeder gleichzeitig zur Befestigung gegenüber dem Wellenrohr. Insofern sind außer der Schraubenfeder keine weiteren Bauteile erforderlich, was sich günstig auf die Herstellung und Montage auswirkt. Darüber hinaus hat die Schraubenfeder als Zusatzmasse noch einen weiteren positiven Effekt auf die Antriebswelle. Aufgrund der gewendelten Form der Zusatzmasse hat diese eine dämpfende Funktion, wenn ein Biegemoment beziehungsweise ein Torsionsmoment in die Antriebswelle eingeleitet wird. Denn bei einwirkendem Biegemoment oder Torsionsmoment können sich die einzelnen Windungen geringfügig relativ zueinander bewegen, wodurch aufgrund der Presspassung beziehungsweise den Reibkräften an den sich berührenden Oberflächen eine Reibungsdämpfung bewirkt wird. Hierdurch werden die auf die Antriebswelle einwirkende Kräfte proportional bedämpft.
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Im unbelasteten, das heißt entspannten Zustand ist der Außendurchmesser der Schraubenfeder größer als der Innendurchmesser der Hohlwelle. Durch Verdrehen der Schraubenfeder derart, dass die Windungszahl zunimmt, wird der Außendurchmesser der Schraubenfeder so weit verringert, so dass die Schraubenfeder in die Hohlwelle eingeführt werden kann. Durch teilweises Entspannen der vorgespannten Schraubenfeder innerhalb der Hohlwelle weitet sich die Schraubenfeder teilweise wieder auf und legt sich mit radialer Vorspannung gegen die Innenwandung der Hohlwelle an. Dabei entstehen Reibungskräfte zwischen der Außenfläche der Schraubenfeder und der Innenfläche der Hohlwelle, die für eine kraftschlüssige Verbindung sorgen. Dabei ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Schraubenfeder ausschließlich durch Kraftschluss aufgrund der radialen Vorspannung in der Hohlwelle fixiert ist. Das heißt es werden keine zusätzlichen Befestigungsmittel verwendet.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung hat die Schraubenfeder ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste und zweite Ende der Schraubenfeder so gestaltet sind, dass hierüber ein Torsionsmoment in die Schraubenfeder eingeleitet werden kann. Hierfür ist zumindest eines der beiden Enden, vorzugweise beide Enden, ausgehend von den sich in Umfangsrichtung erstreckenden Windungen, nach radial innen abgebogen. Der zumindest eine nach innen gebogene Endabschnitt ist in Axialansicht vorzugsweise etwa rechtwinklig von dem letzten sich in Umfangsrichtung erstreckendem Windungsabschnitt nach innen abgebogen oder schließt mit diesem einen spitzen Winkel ein.
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Durch Einleiten eines Torsionsmoments lassen sich die Enden gegeneinander verdrehen, so dass der Außendurchmesser der Schraubenfeder reduziert und die Schraubenfeder radial elastisch vorgespannt wird. In radial vorgespanntem Zustand kann die Schraubenfeder dann in die Hohlwelle eingeführt werden. Bei erneuter Freigabe der Enden, entspannt sich die Schraubenfeder teilweise und legt sich mit elastischer Vorspannung an die Innenwandung des Wellenrohres an. Vorzugsweise sind das erste Ende und das zweite Ende der Schraubenfeder axial abstützungsfrei gegenüber dem Wellenrohr, das heißt es besteht kein direkter Kontakt zwischen den beiden Enden der Schraubenfeder und der Hohlwelle.
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Die Schraubenfeder, die auch als Wendelfeder bezeichnet werden kann, wird vorzugsweise im Bereich von Schwingungsbäuchen innerhalb der Hohlwelle angeordnet. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Hohlwelle zwischen zwei Anschlussbauteilen drehbar aufgenommen ist, wobei ein axialer Abstand L1, L2 zwischen einem Ende der Schraubenfeder und einem der Anschlussbauteile größer ist, als 0,15 des Abstandes L3 zwischen den zwei Anschlussbauteilen. Als Anschlussbauteile zur drehbaren Aufnahme der Hohlwelle können insbesondere Drehgelenke dienen, mit denen die Hohlwelle zur Drehmomentübertragung verbunden ist, beziehungsweise auch Lager, mittels dem die Hohlwelle gegenüber einem ortsfesten Bauteil gelagert ist. Die Anschlussbauteile zur drehbaren Aufnahme der Hohlwelle bilden bei Betrieb Schwingungsknoten der Antriebswellenanordnung. Der axiale Abstand zwischen zwei benachbarten Anschlussbauteilen bezieht sich auf den Schwingungsknoten. Dieser liegt bei einem Drehgelenk in der Gelenkmitelebene und bei einem Lager in der Lagermittelebene.
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Aufgrund der Schwingungsanregung der Antriebswellenanordnung können sich, je nach Schwingungsordnung, ein oder mehrere Schwingungsbäuche zwischen zwei benachbarten Schwingungsknoten bilden. Zur Dämpfung dieser Schwingungen erster, zweiter oder höherer Ordnung werden die Schraubenfedern vorzugsweise in den Bereiche der Antriebswellenanordnung positioniert, in denen die Schwingungsbäuche liegen. Besonders günstig ist es, wenn der axiale Abstand zwischen Ende der Schraubenfeder zu dem jeweiligen Anschlussbauteil, beziehungsweise dem hiervon gebildeten Schwingungsknoten, zwischen 0,15 und 0,35 oder zwischen 0,4 und 0,6 des Gesamtabstandes L3 der beiden Anschlussbauteile voneinander beträgt, zwischen denen die Hohlwelle aufgenommen ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass ein erster axialer Abstand zwischen dem ersten Ende der Schraubenfeder und einem ersten Ende des Wellenrohres größer ist, als ein Fünftel der Gesamtlänge der Hohlwelle, insbesondere größer als ein Viertel der Gesamtlänge der Hohlwelle, vorzugsweise als ein Drittel der Gesamtlänge der Hohlwelle. Entsprechend ist auch ein zweiter axialer Abstand zwischen dem entgegengesetzten zweiten Ende der Schraubenfeder und einem zweiten Ende des Wellenrohres größer als ein Fünftel bzw. ein Viertel bzw. ein Drittel der Gesamtlänge der Hohlwelle.
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Die Länge der zu verwendenden Schraubenfeder richtet sich nach dem Bedarf der einzubringenden Zusatzmasse, die erforderlich ist, um das Schwingungsverhalten der Antriebswelle zu verbessern. In besonderen Fällen, beispielsweise bei längeren Wellenrohren, kann es auch günstig sein mehr als eine, insbesondere zwei Schraubenfedern als Zusatzmassen mit Vorspannung in dem Wellenrohr zu befestigen. Dabei bieten die Schraubenfedern als Zusatzmasse eine hohe Flexibilität hinsichtlich der axialen Anordnung innerhalb des Wellenrohres, da sie einfach bis zur gewünschten Stelle eingeschoben und dort durch teilweises Entspannen aufgeweitet und fixiert werden können.
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Die Antriebswellenanordnung dient insbesondere zum Einsatz im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, und zwar vorzugsweise als Längsantriebswelle. Mittels einer solchen Längsantriebswelle wird Drehmoment von einem Schaltgetriebe auf eine Achsgetriebe, insbesondere ein Achsdifferential, übertragen, welches das eingeleitete Drehmoment über zwei Seitenwellen auf die Räder aufteilt. Die Antriebswellenanordnung kann auch mehrere Wellenabschnitte mit jeweils einer Hohlwelle aufweisen, wobei in einer oder mehreren der Hohlwellen jeweils eine oder mehrere Schraubenfedern als Zusatzmasse angeordnet sein können. Vorzugsweise weist die Antriebswellenanordnung neben der Hohlwelle und der Zusatzmasse noch ein oder mehrere Drehgelenke auf, die an den Enden der Hohlwelle befestigt sind und über welche die einzelnen Wellenabschnitte gelenkig miteinander verbunden sind. Insofern kann die Antriebswellenanordnung auch als Gelenkwellenanordnung bezeichnet werden. An den Enden der Antriebswellenanordnung sind vorzugsweise auch Drehgelenke vorgesehen. Dabei kommen als Drehgelenke vorzugsweise Gleichlaufdrehgelenke zum Einsatz, wobei andere Gelenktypen, wie Kreuzgelenke oder Tripodegelenke ebenso denkbar sind.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Schraubenfeder mehrere volle Windungen, insbesondere zumindest fünf Windungen, vorzugsweise zumindest zehn Windungen. Unter einer Windung wird eine Teilabschnitt der Schraubenfeder verstanden, der sich, in Axialansicht betrachtet, über 360° in Umfangsrichtung um die Längsachse der Schraubenfeder erstreckt. Je größer die Anzahl der Windungen ist, desto größer ist auch die Masse der Schraubenfeder, welche sich auf die Biegeeigenfrequenz und damit auf das Geräuschverhalten der Antriebswelle auswirkt. Außerdem nimmt mit zunehmender Windungszahl auch die Dämpfungswirkung der Schraubenfeder in der Antriebswelle zu.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung hat die Schraubenfeder ein unrundes Profil, insbesondere ein etwa rechteckiges Profil. Die Verwendung eines unrunden Profils hat den Vorteil, dass die Anlagefläche zwischen der Schraubenfeder und der Innenwandung der Hohwelle erhöht wird, wodurch wiederum höhere Reibungskräfte und eine höhere Dämpfungswirkung erreicht wird. Eine besonders große Anlagefläche und damit verbunden besonders hohe Reibungskräfte und eine gute kraftschlüssige Fixierung werden bei Verwendung eines zumindest etwa rechteckigen Profils des Federdrahts erreicht. Außerdem bietet die Verwendung eines rechteckigen Profils den Vorteil einer guten Platzausnutzung und damit einer hohen Dichte auf großem Durchmesser. Mit „zumindest etwa rechteckig” ist gemeint, dass auch gewisse Abwandlungen mit umfasst sein sollen, beispielsweise abgerundete Kanten. Selbstverständlich eignen sich auch Schraubenfedern mit rundem Querschnittsprofil, die besonders einfach und kostengünstig herzustellen sind.
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Vorzugsweise ist die Schraubenfeder möglichst eng gewickelt, das heißt der axiale Abstand der einzelnen Windungen voneinander ist möglichst gering. Dabei ist nach einer günstigen Ausgestaltung vorgesehen, dass ein axialer Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen kleiner ist, als ein kleinster Durchmesser eines Federdrahts, aus dem die Schraubenfeder gewunden ist, insbesondere kleiner ist als ein halber kleinster Durchmesser des Federdrahts. In diesem Zusammenhang soll sich die Bezeichnung Durchmesser nicht auf runde Profile des Federdrahts beschränken. Vielmehr bezieht sich der kleinste Durchmesser insbesondere auch auf unrunde Drahtquerschnitte, wobei dann die kleinste Erstreckung im Querschnitt durch den Federdraht gemeint ist. Besonders günstig ist es, wenn die Windungen der Schraubenfeder aneinander anliegen. Denn hiermit wird aufgrund des Anlagekontakts zwischen zwei benachbarten Windungen und den damit verbundenen Reibungskräften in vorteilhafter Weise eine erhöhte Dämpfungswirkung bei auftretenden Biege- oder Torsionsmomenten der Hohlwelle erreicht.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schraubenfeder aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, insbesondere aus einem Federstahl. Ein Stahlwerkstoff, insbesondere Federstahl, eignet sich besonders gut, da dieser eine hohe Dichte und eine hohe Elastizität aufweist, so dass hohe Vorspannkräfte zur Fixierung gegenüber dem Wellenrohr erreicht werden können.
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Die Lösung der obengenannten Aufgabe besteht weiter in einem Verfahren zur Montage einer Antriebswellenanordnung, die nach einer oder mehrerer der obengenannten Ausgestaltungen gestaltet ist, mit den Verfahrensschritten:
Bereithalten einer Hohlwelle; Radiales Vorspannen der Schraubenfeder durch Verdrehen der beiden Enden der Schraubenfeder relativ zueinander derart, dass der Durchmesser der Schraubenfeder ausgehend vom unbelasteten Ausgangszustand reduziert wird; Einführen der verdrehten Schraubenfeder in die Hohlwelle; und Freigeben der gegeneinander verdrehten Enden der Schraubenfeder, wobei sich die Schraubenfeder radial aufweitet und mit radialer Vorspannung gegen eine Innenwandung der Hohlwelle kraftschlüssig zur Anlage kommt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine einfache Montage der Antriebswellenanordnung ermöglicht. Die Schraubenfeder braucht lediglich radial vorgespannt und in vorgespanntem Zustand in die Hohlwelle eingeführt zu werden, wo sie sich durch elastisches Aufweiten kraftschlüssig an die Innenwandung anlegt. Die Positionierung der Schraubenfeder innerhalb der Hohlwelle kann auf einfache Weise bedarfsgerecht eingestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich im übrigen dieselben Vorteile, wie mit der erfindungsgemäßen Antriebswellenanordnung, so dass diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nach einer günstigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Verfahrensschritt des radialen Vorspannens der Schraubenfeder mittels einer Vorrichtung erfolgt, die ein erstes Teil und ein zweites Teil aufweist, die relativ zueinander verdrehbar sind; wobei, zum Vorspannen, die Vorrichtung in die Schraubenfeder eingeführt wird, wobei das erste Teil gegen das erste Ende der Schraubenfeder in Umfangsrichtung zur Anlage gebracht wird und das zweite Teil gegen das zweite Ende der Schraubenfeder in Umfangsrichtung zur Anlage gebracht wird; und wobei anschließend die beiden Teile der Vorrichtung relativ zu einander derart verdreht werden, dass die Windungszahl der Schraubenfeder zunimmt, so dass der Außendurchmesser der vorgespannten Schraubenfeder kleiner wird. Dabei wird die Schraubenfeder soweit radial vorgespannt, bis der Außendurchmesser der Schraubenfeder kleiner ist als der Innendurchmesser der Hohlwelle. In diesem vorgespannten Zustand kann die Schraubenfeder dann in die Hohlwelle eingeführt werden. Mit diesem Verfahrensschritt wird ein einfaches Vorspannen und damit eine einfache Befestigung der Schraubenfeder in dem Wellenrohr ermöglicht.
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Nach einer günstigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Schraubenfeder bis zu einer gewünschten axialen Position in das Wellenrohr eingeführt wird, wobei die gewünschte Position insbesondere durch einen Anschlag zwischen der Vorrichtung und einer Anschlagfläche am Wellenrohr definiert wird. Hiermit lässt sich eine wiederholbare Positionierung einfach realisieren, die auch für eine Serienfertigung gut geeignet ist.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. Hierin zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Antriebswellenanordnung mit Schraubenfedern in einer ersten Ausführungsform
- a) im Längsschnitt,
- b) im Längsschnitt, teilweise geschnitten, in etwas vergrößerter Darstellung;
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2 einen Teilabschnitt der Antriebswellenanordnung nach 1 in vergrößerter Darstellung;
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3 eine Schraubenfeder in einer zweiten Ausführungsform für eine Antriebswellenanordnung gemäß 1 bzw. 2 als Detail
- a) in Seitenansicht,
- b) in Axialansicht,
- c) in perspektivischer Ansicht, und
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4 eine Vorrichtung zum Vorspannen einer Schraubenfeder gemäß einer der 1 bis 3.
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In den 1 und 2, die im folgenden gemeinsam beschrieben werden, ist eine erfindungsgemäße Antriebswellenanordnung 2 in gestreckter Lage zur Längsachse A dargestellt. Die Antriebswellenanordnung 2 dient insbesondere als Längsantriebswelle in einem Kraftfahrzeug zur Drehmomentübertragung von einem Schaltgetriebe auf ein Achsdifferential, die hier nicht dargestellt sind. Die Antriebswellenanordnung 2 umfasst einen ersten Wellenabschnitt 3 und einen zweiten Wellenabschnitt 4, welche mittels eines Drehgelenks 5 als mittleres Gelenk miteinander verbunden sind.
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Der erste Wellenabschnitt 3 umfasst ein erstes Drehgelenk 6, das zum antriebsmäßigen Verbinden mit dem Schaltgetriebe dient, einen ersten Wellenzapfen 46, eine erste Hohlwelle 7, und einen zweiten Wellenzapfen 8. Der erste Wellenzapfen 46 ist zur Drehmomentübertragung mit dem ersten Drehgelenk 6 drehfest verbunden. Der zweite Wellenzapfen 8 ist mit dem zweiten Drehgelenk 5 drehfest verbunden. Der erste Wellenzapfen 46 und der zweiten Wellenzapfen 8 sind an den gegenüberliegenden Enden der Hohlwelle 7 angeschlossen, beispielsweise mittels Schweißen. Es ist erkennbar, dass die Hohlwelle 7 an ihrem dem mittleren Drehgelenk 5 zugewandten Ende einen Teilabschnitt mit kleinerem Außendurchmesser aufweist. Dabei ist der Außendurchmesser dieses Teilabschnitts so gewählt, dass der erste Wellenabschnitt 3 bei einem Frontalaufprall des Kraftfahrzeugs und daraus resultierender Verkürzung der Antriebswelle 2 in den zweiten Wellenabschnitt 4 einfahren könnte.
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Das erste Drehgelenk 6 ist in Form eines Gleichlaufverschiebegelenks gestaltet, das Winkelbewegungen und Axialbewegungen ausführen kann. Das Drehgelenk 6 weist ein Gelenkinnenteil 9, ein Gelenkaußenteil 10, drehmomentübertragende Kugeln 12, sowie einen Kugelkäfig 13 auf. Das Gelenkinnenteil 9 weist eine innere Bohrung mit einer Wellenverzahnung 11 auf, in die der Wellenzapfen 46 des ersten Wellenabschnitts 3 zur Drehmomentübertragung eingesteckt werden kann. Die drehmomentübertragenden Kugeln 12 sind in Bahnpaaren aus jeweils einer inneren Kugelbahn 14 und einer äußeren Kugelbahn 14 zur Drehmomentübertragung geführt. Dabei sind die Kugeln in Fenstern des Kugelkäfigs 15 aufgenommen und werden bei Abwinklung des Drehgelenks 6 in der winkelhalbierenden Ebene zwischen dem Gelenkinnenteil 9 und dem Gelenkaußenteil 10 gehalten. Das Gelenkaußenteil 10 ist fest mit der Hohlwelle 7 verbunden, beispielsweise mittels Schweißen.
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Die Abdichtung des Gelenkraumes gegenüber der Umgebung erfolgt mittels einer Dichtungsanordnung 16, so dass ein Eindringen von Schmutz in die bzw. ein Austreten von Schmiermittel aus dem Gelenkraum verhindert wird.
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Zur Lagerung bzw. Aufhängung der Antriebswellenanordnung 2 an einem ortsfesten Bauteil, insbesondere einer Fahrzeugkarosserie, ist ein Zwischenlager 17 vorgesehen, das axial benachbart zum mittleren Drehgelenk 5 angeordnet ist. Das Zwischenlager 17 umfasst einen Dämpfungskörper 18, in dem die Antriebswellenanordnung 2 an die Fahrzeugkarosserie angeschlossen wird. Dabei ist die Antriebswellenanordnung 2 mittels eines Wälzlagers 19, das auf einem Lagerabschnitt 20 des Wellenzapfens 8 aufgezogen ist, im Zwischenlager 17 drehbar gelagert.
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Das mittlere Drehgelenk 5 ist in Form eines Gleichlauffestgelenks gestaltet und weist ein Gelenkaußenteil 22 mit äußeren Kugelbahnen, ein Gelenkinnenteil 23 mit inneren Kugelbahnen, jeweils in einem Paar der einander gegenüberliegenden äußeren Kugelbahnen und inneren Kugelbahnen geführte drehmomentübertragende Kugeln 24 sowie einen die Kugeln 24 in der winkelhalbierenden Ebene haltenden Kugelkäfig 25 auf. Das Gelenkinnenteil 23 ist mit dem Zapfen 8 des ersten Wellenabschnitts 3 über eine Wellenverzahnung zur Übertragung eines Drehmoments verbunden und das Gelenkaußenteil 22 ist mit dem zweiten Wellenabschnitt 4 verbunden. Zur Abdichtung des Gelenkraumes nach außen hin ist eine Dichtungsanordnung 47 vorgesehen, deren kleiner Bund auf dem Wellenzapfen 8 dichtend fixiert ist, und deren großer Bund über eine Anschlusshülse 48 am Gelenkaußenteil 22 des mittleren Drehgelenks 5 dichtend befestigt ist.
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Der zweite Wellenabschnitt 4 weist ein zweites Wellenrohr 21 auf, das über einen Flanschabschnitt mit dem Gelenkaußenteil 22 des mittleren Gelenks 5 fest verbunden ist, sowie ein mit dem zweiten Wellenrohr 21 fest verbundenen Wellenzapfen 31, an dessen Ende ein zweites Drehgelenk 26 befestigt ist.
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Das zweite Drehgelenk 26 ist ähnlich aufgebaut, wie das erste Drehgelenk 6 und auch in Form eines Gleichlaufverschiebegelenks gestaltet. Das Drehgelenk 26 weist entsprechend ein Gelenkinnenteil 27, ein Gelenkaußenteil 28, drehmomentübertragende Kugeln 29, sowie einen Kugelkäfig 30 auf, in dessen Fenstern die Kugeln 29 aufgenommen sind. Das Gelenkinnenteil 27 ist über eine Wellenverzahnung 32 mit dem Wellenzapfen 25 zur Drehmomentübertragung verbunden. Zur Abdichtung des Gelenkraumes ist eine Dichtungsanordnung 33 vorgesehen, deren kleiner Bund auf dem Wellenzapfen 25 dichtend fixiert ist, und deren großer Bund gegenüber dem Gelenkaußenteil 28 dichtend befestigt ist.
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Es versteht sich, dass die Drehgelenke 5, 6 und 26 der Antriebswellenanordnung 2 auch anders, als hier dargestellt, ausgestaltet sein können. Beispielsweise kann anstelle der hier endseitig verwendeten Verschiebegelenke 6 und 26 auch Gleichlauffestgelenke verwendet werden. Dementsprechend kann das mittlere Drehgelenk 5 auch als Verschiebegelenk gestaltet sein. Auch die Verwendung von Kugelgleichlaufdrehgelenken ist nicht zwingend, sondern es sind auch andere Gelenktypen denbar, wie Kreuzgelenkte oder Tripodegelenke.
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Es ist erkennbar, dass in der ersten Hohlwelle 7 eine Zusatzmasse 34 angeordnet ist, die in Form einer Schraubenfeder gestaltet ist. In der zweiten Hohlwelle 21 sind zwei Zusatzmassen 35, 35' angeordnet, die ebenfalls jeweils in Form einer Schraubenfeder gestaltet sind. Die Anordnung der ersten Schraubenfeder 34 im ersten Wellenabschnitt 3 ist als Detail in 2 gezeigt. Die Schraubenfeder 34 ist als Einzelheit ferner in den 3a–3c gezeigt. Im folgenden wird die Schraubenfeder 34 beispielhaft für alle Schraubenfedern 34, 35, 35' anhand der 3a bis 3c beschrieben. Es ist erkennbar, dass die Schraubenfeder 34 eine zylindrische Form hat und ein erstes Ende 36 und ein zweites Ende 37 aufweist. Dabei sind die beiden Enden 36, 37, die auch als Endabschnitte bezeichnet werden können, gegenüber den umlaufenden Windungen 38 nach radial innen abgebogen, und zwar etwa im rechten Winkel. Über die beiden Endabschnitte 36, 37 kann ein Torsionsmoment in die Schraubenfeder 34 eingeleitet werden.
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Durch Einleiten eines Torsionsmoments lassen sich die beiden Endabschnitte 36, 37 gegeneinander verdrehen, so dass der Außendurchmesser der Schraubenfeder 34 reduziert wird, so dass die Schraubenfeder 34 radial im elastischen Bereich der Materialkennlinie vorgespannt wird. In diesem radial vorgespannten Zustand kann die Schraubenfeder 34 dann in das Wellenrohr 7 eingeführt werden. Bei Aufheben des eingeleiteten Torsionsmoments weitet sich die Schraubenfeder 34 wieder auf und legt sich mit elastischer Vorspannung an die Innenwandung 39 des Wellenrohres 7 an.
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Es ist erkennbar, dass die Schraubenfeder 34 eine Vielzahl von einzelnen Windungen 38 aufweist, wobei die Anzahl der Windungen größer als fünf, insbesondere größer als zehn ist und im vorliegenden Fall etwa 22 beträgt. Es ist weiter erkennbar, dass das Profil des Federdrahts, aus dem die Schraubenfedern 34, 35, 35' gewunden sind, im Querschnitt rechteckig bzw. quadratisch ist. Die Verwendung eines rechteckigen Profils hat den Vorteil, dass eine relativ große, nahezu zylindrische Außenfläche 40 gebildet wird, die in eingesetztem Zustand der Schraubenfeder 34 mit der zylindrischen Innenfläche 39 des Wellenrohres 7 zur Anlage kommt. Durch diese verhältnismäßig große Kontaktfläche ergeben sich günstige Reibungskräfte zwischen der Schraubenfeder 34 und dem Wellenrohr 7, so dass eine gute kraftschlüssige Verbindung erreicht wird. Ein weiterer Vorteil des rechteckigen Profils ist darin zu sehen, dass eine hohe Materialdichte auf großem Durchmesser zur Verfügung gestellt wird, was sich günstig auf die Beeinflussung der Biegeeigenfrequenzen der Antriebswelle 2 auswirkt. Die Schraubenfeder 34 sitzt kraftschlüssig bzw. reibschlüssig in dem Wellenrohr 7 ein. Zusätzliche Verbindungs- oder Befestigungselemente sind aufgrund der elastischen Vorspannung der Schraubenfeder 34 nicht erforderlich. Es versteht sich, dass die Schraubenfedern 34, 35, 35' auch eine von dem rechteckigen Querschnitts abweichende Form aufweisen können, beispielsweise einen runden oder elliptischen Querschnitt. Ein runder Federdraht hat den Vorteil, dass sich dieser leicht verarbeiten lässt und die Schraubenfeder damit besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Für beide Formen von Schraubenfedern 34, 35, 35', das heißt die mit rundem und die mit rechteckigem Profil, gilt, dass die einzelnen Windungen 38 der Schraubenfeder 34 aneinander anliegen. Durch den Anlagekontakt zwischen zwei benachbarten Windungen 38 werden Reibungskräfte erzeugt, die wiederum eine Erhöhung der Dämpfungswirkung bei auftretenden Biege- oder Torsionsmomenten der Antriebswellenanordnung 2 bzw. des jeweiligen Wellenabschnitts 3, 4, in der die Schraubenfeder 34, 35 einsitzt, bewirken.
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Die Schraubenfeder 34, 35 wird axial an der Stelle innerhalb des Wellenrohres 7, 21 positioniert, wo Schwingungsbäuchen vorhanden sind. Durch die Schraubenfeder 34 werden die bei Rotation der Antriebswellenanordnung 2 auftretenden Schwingungen in höhere Ordnungen verlagert, so dass störende Geräusche in vorteilhafter Weise deutlich reduziert werden. Die Schraubenfeder 34 beeinflusst insofern die Biegeeigenfrequenz der Antriebswelle 2 deutlich, ohne jedoch eine ungewünschte Versteifung der Antriebswelle 2 bzw. des Wellenrohrs 7 zu bewirken. Es ist erkennbar, dass ein axialer Abstand zwischen den beiden Enden 36, 37 der Schraubenfeder 34 bis zu den Enden des Wellenrohres 7 jeweils größer ist, als ein Fünftel der Gesamtlänge des Wellenrohres 7, insbesondere größer als ein Viertel oder sogar ein Drittel der Gesamtlänge des Wellenrohres 7. Die genaue Positionierung wird vorher ermittelt und mittels einer entsprechenden Vorrichtung 42 bewerkstelligt.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform gemäß 2 ist erkennbar, dass der axiale Abstand L1 zwischen dem ersten Ende 37 der Schraubenfeder 34 und dem ersten Drehgelenk 6, dem das erste Ende 37 der Schraubenfeder 34 zugewandt ist, größer ist, als 0,15 des axialen Abstandes 13 zwischen dem ersten Drehgelenk 6 und dem Zwischenlager 17. Entsprechend gilt auch für die Schraubenfeder 35' des zweiten Wellenabschnitts 4, dass der Abstand von deren Ende zum benachbarten endseitigen Drehgelenk 26 größer als das 0,15-fache des axialen Abstandes zwischen dem endseitigen Drehgelenk 26 und dem mittleren Drehgelenk 5. Die Drehgelenke 5, 6, 26 und das Zwischenlager 17 können auch als Anschlussbauteile bezeichnet werden. Diese Anschlussbauteile bilden bei Betrieb der Antriebswellenanordnung Schwingungsknoten, zwischen denen je nach Schwingungsanregung ein oder mehrere Schwingungsbäuche entstehen können. Zur Dämpfung dieser Schwingungen erster, zweiter oder höherer Ordnung werden die Schraubenfedern in den Bereichen der Antriebswellenanordnung positioniert, in denen die Schwingungsbäuche liegen. Dabei beträgt der axiale Abstand zwischen dem Ende 37, 36 der Schraubenfedern 34, 35, 35', beziehungsweise deren Mitte, zum jeweiligen Anschlussbauteil 6, 17, 5, 26, beziehungsweise dem hiervon gebildeten Schwingungsknoten, vorzugsweise das 0,15 bis 0,35-fache oder das 0,4 bis 0,6-fache des Gesamtabstandes L3 der beiden Anschlussbauteile 6, 17, 5, 26 voneinander, zwischen denen das Wellenrohr 7, 21 angeordnet ist.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist im ersten Wellenabschnitt 3 eine Schraubenfeder 34 angeordnet, und im zweiten Wellenabschnitt 4 sind zwei Schraubenfedern 35, 35' angeordnet. Es versteht sich, dass die Anzahl und Anordnung der Schraubenfedern schwingungsabhängig und individuell auf den Anwendungsfall anzupassen ist. So kann es ebenso denkbar sein, dass nur in einen der Wellenabschnitte eine Schraubenfeder eingesetzt ist und der andere Wellenabschnitt keine Schraubenfeder aufweist, oder dass in beiden Wellenabschnitten nur eine Schraubenfeder aufgenommen ist, oder dass in beiden Wellenabschnitten zwei oder mehr Schraubenfedern angeordnet sind, etc. Zur Positionierung der Schraubenfeder 34, 35, 35' im jeweiligen Wellenrohr 7, 21 wird eine geeignete Vorrichtung 42 verwendet.
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In 4 ist eine solche Vorrichtung 42 gezeigt, mit der die Schraubenfeder 34, 35 radial vorgespannt und in vorgespanntem Zustand in das Wellenrohr 7, 21 eingeführt werden kann. Die Vorrichtung 42 umfasst ein erstes Teil 43 mit einem Stützabschnitt 44, der mit einem der beiden Enden 36, 37 der Schraubenfeder 34 in Anlage gebracht werden kann. Weiter umfasst die Vorrichtung 42 ein zweites Teil 45 mit einem zweiten Stützabschnitt, der mit dem anderen Ende 37, 36 der Schraubenfeder 34 in Kontakt gebracht werden kann. Dabei ist das erste Teil 43 der Vorrichtung 42 in Form eines Zapfens gestaltet und das zweite Teil 45 in Form einer Hülse gestaltet, die koaxial zum Zapfen 43 angeordnet und auf diesem drehbar gelagert ist. Das erste Teil 43 kann gegenüber dem zweiten Teil 45 mittels eines Betätigungsmittels 46 verdreht werden. Durch Verdrehen der beiden Vorrichtungsteile 43, 45 relativ zueinander werden entsprechend auch die beiden Enden 36, 37 der Schraubenfeder 34 relativ zueinander verdreht.
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Zum elastischen Vorspannen der Schraubenfeder 34, 35 werden die beiden Teile 43, 45 relativ zueinander derart verdreht, dass die Windungszahl der Schraubenfeder 34 zunimmt, d. h. dass der Außendurchmesser der Schraubenfeder 34 sich beim Vorspannen verkleinert. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die Schraubenfeder 34, deren Außendurchmesser in entspanntem Zustand größer ist als der Innendurchmesser der Wellenrohres 7, so weit reduziert wird, dass die vorgespannte Schraubenfeder 34 in das Wellenrohr 7 eingeführt werden kann. Dabei wird die Schraubenfeder 34 mittels der Vorrichtung 42 bis zu der gewünschten axialen Position in das Wellenrohr 7 eingeführt, wobei die gewünschte Position durch einen Anschlag zwischen der Vorrichtung 42 und einer Anschlagfläche am Wellenrohr 7 gebildet wird. Nach Erreichen der gewünschten Position wird die Torsionsvorspannung aufgehoben, so dass sich die Schraubenfeder 34 radialelastisch aufweitet und mit ihrer Außenfläche 40 gegen die Innenfläche 39 des Wellenrohres 7 kraftschlüssig anlegt. Nach dem Einsetzen der Schraubenfeder 34 werden der erste Zapfen 8 und das erste Gelenk 6 mit dem Wellenrohr 7 verbunden, wobei es sich versteht, dass eines der beiden Anschlussteile auch vorher schon mit dem Wellenrohr 7 verbunden werden kann.
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Das vorstehend im Zusammenhang mit den 3 und 4 beispielhaft für die erste Zusatzmasse 34 im ersten Wellenabschnitt 3 Gesagte gilt gleichermaßen auch für die zweite Zusatzmasse 35 im zweiten Wellenabschnitt 4, die durch radiale Vorspannung kraftschlüssig mit der Innenwandung 41 der zylindrischen Hohlwelle 21 verbunden ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebswellenanordnung bzw. des Verfahrens zum Herstellen der Antriebswellenanordnung 2 besteht darin, dass die Schraubenfeder 34 als Zusatzmasse einfach mit der Hohlwelle 7 verbunden werden kann. Durch die Zusatzmasse 34 wird die Biegeeigenfrequenz der Antriebswelle 2 günstig beeinflusst. Bei Betrieb auftretende Schwingungen werden in höhere Ordnungen verlagert, so dass störende Geräusche der Antriebswelle reduziert werden. Dadurch, dass die Schraubenfeder 34 biege- und torsionsweich ist, führt sie selbst nicht zu einer gewünschten Versteifung der Antriebswelle.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Antriebswellenanordnung
- 3
- erster Wellenabschnitt
- 4
- zweiter Wellenabschnitt
- 5
- Drehgelenk
- 6
- Drehgelenk
- 7
- Wellenrohr
- 8
- Wellenzapfen
- 9
- Gelenkinnenteil
- 10
- Gelenkaußenteil
- 11
- Wellenverzahnung
- 12
- Kugel
- 13
- Käfig
- 14
- äußere Kugelbahn
- 15
- innere Kugelbahn
- 16
- Dichtungsanordnung
- 17
- Zwischenlager
- 18
- Dämpfungselement
- 19
- Wälzlager
- 20
- Lagerabschnitt
- 21
- Hohlwelle
- 22
- Gelenkaußenteil
- 23
- Gelenkinnenteil
- 24
- Kugel
- 25
- Käfig
- 26
- Drehgelenk
- 27
- Gelenkinnenteil
- 28
- Gelenkaußenteil
- 29
- Kugel
- 30
- Käfig
- 31
- Wellenzapfen
- 32
- Wellenverzahnung
- 33
- Dichtungsanordnung
- 34
- Zusatzmasse
- 35
- Zusatzmasse
- 36
- erstes Ende
- 37
- zweites Ende
- 38
- Windung
- 39
- Innenfläche
- 40
- Außenfläche
- 41
- Innenwandung
- 42
- Vorrichtung
- 43
- erstes Teil
- 44
- Stützabschnitt
- 45
- zweites Teil
- A
- Drehachse
- D
- Durchmesser
- L
- Länge
