DE102017108141B4

DE102017108141B4 - Achswellensystem mit zweistufiger steifigkeit und seite-zu-seite-steifigkeits-vorspannung

Info

Publication number: DE102017108141B4
Application number: DE102017108141.0A
Authority: DE
Inventors: Paul A. Piorkowski
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: CN107303784A; US9770947B1; DE102017108141A1; CN107303784B

Abstract

Achswellensystem (16) zum Übertragen eines Antriebsdrehmoments in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs (10), worin das Achswellensystem (16) Folgendes umfasst:
eine erste Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und eine zweite Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit;
worin jede der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit Folgendes beinhaltet:
einen Hohlzylinder (22A, 22B), der durch eine Längsachse (24A, 24B), ein erstes Ende (26A, 26B) und ein entferntes zweites Ende (28A, 28B) und eine Hohlzylinder-Steifigkeit definiert ist; und
eine innere Welle (30A, 30B), die durch den Hohlzylinder (22A, 22B) entlang der Längsachse (24A, 24B) verläuft und durch ein erstes Ende (32A, 32B), ein entferntes zweites Ende und eine Innere-Welle-Steifigkeit definiert ist;
worin jede der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweite Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit so ausgebildet ist, dass:
das erste Ende (32A, 32B) der jeweiligen inneren Welle (30A, 30B) in das erste Ende (26A, 26B) des jeweiligen Hohlzylinders (22A, 22B) über eine Drehspielpassung (33A, 33B) eingreift;
das zweite Ende (34A, 34B) der jeweiligen inneren Welle (30A, 30B) drehfest an dem zweiten Ende (28A, 28B) des jeweiligen Hohlzylinders (22A, 22B) befestigt ist, sodass das erste Ende (32A, 32B) der inneren Welle (30A, 30B) sich um einen vorbestimmten Winkel bezüglich des zweiten Endes (34A, 34B) der inneren Welle (30A, 30B) in Reaktion auf das Antriebsdrehmoment (T) drehen wird; und
die Innere-Welle-Steifigkeit eine erststufige Steifigkeit (S1A, S1B) der jeweiligen Achswelle (16A, 16B) definiert und die Innere-Welle-Steifigkeit zusammen mit der Hohlzylinder-Steifigkeit eine zweistufige Steifigkeit (S2A, S2B) der jeweiligen Achswelle (16A, 16B) definiert; und
worin mindestens eine der erststufigen Steifigkeit (S1A, S1B) und die zweistufige Steifigkeit (S2A, S2B) der ersten Achswelle (16A) von der jeweiligen erststufigen Steifigkeit (S1A, S1B) und der zweistufigen Steifigkeit (S2A, S2B) der zweiten Achswelle (16B) abweicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Achswellensystem mit zweistufiger Steifigkeit und Seite-zu-Seite-Steifigkeits-Vorspannung zum Übertragen von Drehmoment in einem Fahrzeug.
Eine Antriebswelle mit zweistufiger Steifigkeit wird beispielsweise in der DE 10 2015 115 948 A1 beschrieben. Bezüglich des weitergehendes Standes der Technik sei ferner auf die Druckschriften DE 11 2009 002 610 T5 und DE 35 07 432 A1 verwiesen. Ausgehend von der DE 10 2015 115 948 A1 liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein weiter verbessertes Achswellensystem mit zweistufiger Steifigkeit anzugeben. Diese Aufgabe wird mit einem Achswellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche
HINTERGRUND
Eine Achswelle oder Halbwelle ist eine mechanische Komponente zum Übertragen von Drehung und Drehmoment von einem Triebwerk in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs. Achswellen werden typischerweise zum Verbinden eines Fahrzeugdifferentials mit Antriebsrädern verwendet. Lasten auf einer Achswelle sind hauptsächlich das Ergebnis von Motorausgangsdrehmoment, das mit den Motorschwingungen und der Trägheit des Fahrzeugs überlagert ist. Achswellen sind im Allgemeinen konstruiert, um der betrieblichen Beanspruchung zu widerstehen, während sie zusätzliches Gewicht und Trägheit begrenzen. Fahrzeugachswellen nehmen häufig ein oder mehrere mechanische Gelenke auf, die für eine mögliche Änderung der Ausrichtung und/oder Entfernung zwischen den treibenden und getriebenen Komponenten gestaltet sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Achswellensystem zum Übertragen eines Antriebsdrehmoments in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs beinhaltet eine erste Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und eine zweite Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit. Jede der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit beinhaltet einen Hohlzylinder, der durch eine Längsachse, ein erstes Ende, ein entferntes zweites Ende definiert ist und eine Hohlzylinder-Steifigkeit aufweist. Jede der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit beinhaltet auch eine innere Welle durch den hohlen Zylinder entlang der Längsachse und definiert von einem ersten Ende, einem entfernten zweiten Ende und mit einer Steifigkeit einer inneren Welle.
Jede der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit ist so ausgebildet, dass das erste Ende der jeweiligen inneren Welle in das erste Ende des jeweiligen Hohlzylinders über eine Drehspielpassung eingreift. Auch ist in jede der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit das zweite Ende der jeweiligen inneren Welle drehfest an dem zweiten Ende des jeweiligen Hohlzylinders befestigt, sodass sich das erste Ende der inneren Welle in einem vorbestimmten Winkel bezüglich des zweiten Endes der inneren Welle in Reaktion auf das Antriebsmoment verdreht. Die Steifigkeit der inneren Welle definiert eine erststufige Steifigkeit der Achswelle und die Steifigkeit der inneren Welle definiert zusammen mit der Steifigkeit des Hohlzylinders eine zweistufige Steifigkeit der Achswelle. Mindestens eine der erststufigen Steifigkeiten und der zweistufigen Steifigkeiten der ersten Achswelle sind verschieden, d. h. separat und unterschiedlich von der jeweils einen erststufigen Steifigkeit und der zweistufigen Steifigkeit der zweiten Achswelle. Dementsprechend weist das Achswellensystem eine Steifigkeitsvorspannung oder asymmetrische Steifigkeit zwischen den beiden Achswellen auf.
Die Steifigkeit der ersten inneren Welle kann abweichend von der Steifigkeit der zweiten inneren Welle sein. Insbesondere können sich der Durchmesser und/oder das Material der ersten inneren Welle von den gleichen der zweiten inneren Welle unterscheiden. Der Unterschied in der Steifigkeit zwischen den betreffenden inneren Wellen kann größer als 10 % sein.
Die Steifigkeit des ersten Hohlzylinders kann abweichend von der Steifigkeit des zweiten Hohlzylinders sein. Insbesondere können der Außendurchmesser, der Innendurchmesser und/oder das Material des ersten Hohlzylinders abweichend von den gleichen des zweiten hohlen Zylinders sein. Der Unterschied in der Steifigkeit zwischen den betreffenden Hohlzylindern kann größer als 10 % sein.
Mindestens eine der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit kann auch ein erstes Dämpfungselement zwischen der inneren Welle und dem Hohlzylinder beinhalten und konfiguriert sein zum Steuern der Veränderung des Antriebsdrehmoments, das von der Achswelle über erzeugtes Dämpfen übertragen wird. Mit anderen Worten kann das erste Dämpfungselement in Relativbewegung gespeicherte Energie zwischen der inneren Welle und dem Hohlzylinder als Ergebnis der Änderung des Antriebsdrehmoments verteilen. Das erste Dämpfungselement kann auch einen allmählichen Übergang zwischen der erststufigen Steifigkeit und der zweistufigen Steifigkeit erzeugen.
Wenn jede der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit das jeweilige erste Dämpfungselement enthält, kann die vom ersten Dämpfungselement der ersten inneren Welle erzeugte Dämpfung von der Dämpfung des ersten Dämpfungselements der zweiten inneren Welle abweichen.
Mindestens eine der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit können derart ausgebildet sein, dass das erste Ende der inneren Welle eine erste äußere Kerbverzahnung beinhaltet und das erste Ende des Hohlzylinders eine erste innere Kerbverzahnung beinhaltet. In einem solchen Fall kann die erste äußere Kerbverzahnung in die erste innere Kerbverzahnung über die Drehspielpassung an einer ersten Schnittstelle eingreifen.
Mindestens eine der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit kann auch ein zweites Dämpfungselement zwischen der ersten äußeren Kerbverzahnung und der ersten inneren Kerbverzahnung beinhalten. In einem solchen Fall kann das zweite Dämpfungselement eine Elastomerkomponente sein, die die Drehspielpassung besetzt und zum Steuern der Veränderung des Antriebsdrehmoments ausgebildet ist, das von der Achswelle zur ersten Schnittstelle über erzeugte Dämpfung übertragen wird.
Wenn jede der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit das jeweilige zweite Dämpfungselement beinhaltet, kann die durch das zweite Dämpfungselement der ersten inneren Welle erzeugte Dämpfung von der durch das zweite Dämpfungselement der zweiten inneren Welle erzeugten Dämpfung abweichen.
Mindestens eine der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit kann derart ausgebildet sein, dass das zweite Ende der inneren Welle eine zweite äußere Kerbverzahnung beinhaltet und das zweite Ende des Hohlzylinders eine zweite innere Kerbverzahnung beinhaltet. In einem solchen Fall kann die zweite äußere Kerbverzahnung in die zweite innere Kerbverzahnung an einer zweiten Schnittstelle presseingepasst werden.
Mindestens eine der ersten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit kann auch so ausgebildet sein, dass das zweite Ende der inneren Welle mit dem zweiten Ende des Hohlzylinders verschweißt ist.
Ein Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einem Differential, das operativ mit einem solchen Achswellensystem verbunden ist, wird ebenfalls offenbart.
Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform(en) und der besten Art(en) zur Umsetzung der beschriebenen Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugantriebsstrangs einschließlich eines Achswellensystems mit Achswellen mit zweistufiger Steifigkeit gemäß der Offenbarung.
2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform einer repräsentativen Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit, dargestellt in 1, worin die Achswelle eine innere Welle aufweist, die sich durch einen Hohlzylinder erstreckt und in diesen an ersten und zweiten Schnittstellen eingreift.
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführung der repräsentativen Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit, dargestellt in 1, worin die Achswelle eine innere Welle aufweist, die sich durch einen Hohlzylinder erstreckt und in diesen an ersten und zweiten Schnittstellen eingreift.
4 ist ein schematische Großaufnahme eines Schnittes durch eine erste Schnittstelle zwischen der inneren Welle und dem Hohlzylinder in der repräsentativen Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit dargestellt in den 2 und 3.
5 ist eine schematische Großaufnahme einer anderen Ausführungsform eines Schnittes durch die erste Schnittstelle dargestellt in den 2 und 3.
6 ist eine schematische Großaufnahme eines Schnitts durch die zweite Schnittstelle zwischen der inneren Welle und dem Hohlzylinder in der repräsentativen Achswelle mit zweistufiger Steifigkeit dargestellt in 2.
7 ist ein Diagramm eines Verdrehwinkels gegenüber Antriebsmoment für die ersten und zweiten Achswellen mit zweistufiger Steifigkeit dargestellt in 1.
8 ist ein Diagramm zum Darstellen von asymmetrischer Torsionsantwort der jeweiligen Achswellen mit zweistufiger Steifigkeit des Achswellensystems dargestellt in 1 unter typischen Kraftspringbedingungen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin in mehreren Ansichten gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten verweisen, zeigt 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeuges 10 mit einem Antriebsstrang. Der Antriebsstrang beinhaltet eine Kraftquelle 12, ein Getriebe 14 und beinhaltet ein Achswellensystem 16 mit zweistufiger Steifigkeit zum Übertragen von Drehmoment T der Kraftquelle, das durch das Getriebe übertragen und von einem Differential 20 empfangen wird, an ein erstes angetriebenes Fahrzeugrad 18A und ein zweites angetriebenes Fahrzeugrad 18B. Die Kraftquelle 12 kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor, (ein) Elektromotor(en), eine Brennstoffzelle oder eine Kombination der vorstehend genannten sein.
Das Achswellensystem 16 mit zweistufiger Steifigkeit beinhaltet eine erste Achswelle 16A und eine zweite Achswelle 16B. Obwohl die erste Achswelle 16A auf einer bestimmten Seite des Differentials 20 und die zweite Achswelle 16B auf der gegenüberliegenden Seite dargestellt ist, verhindert nichts, dass die beiden Achswellen in das Fahrzeug 10 positioniert werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, die nachfolgend beschrieben werden. Das Differential 20 ist konfiguriert zum Aufnehmen des Drehmoments T der Kraftquelle und zum Verteilen solchen Drehmoments zwischen der ersten Achswelle 16A und der zweiten Achswelle 16B zum Vorantreiben des Fahrzeugs 10. Als solche ist das Achswellensystem 16 operativ verbunden und so konfiguriert, dass es das Drehmoment T von dem Differenzial 20 zu den ersten und zweiten Fahrzeugrädern 18A, 18B überträgt. Insbesondere empfängt die erste Achswelle 16A einen Teil des Drehmoments T und überträgt diesen Teil des Drehmoments auf das erste Fahrzeugrad 18A, während die zweite Achswelle 16B einen anderen Teil des Drehmoments T empfängt und diesen anderen Teil des Drehmoments auf das zweite Fahrzeugrad 18B überträgt.
Wie in 2 und 3 dargestellt ist jede der Achswellen 16A und 16B zum Steuern, d. h. Absorbieren, Filtern und/oder Dämpfen von Veränderungen des Drehmoments T aus der Kraftquelle ausgebildet und beinhaltet jeweils einen Hohlzylinder 22A, 22B. Jeder Hohlzylinder 22A, 22B ist definiert durch eine jeweilige Längsachse 24A, 24B, ein erstes Ende 26A, 26B und ein entferntes zweites Ende 28A, 28B. Jeder Hohlzylinder 22A und 22B weist ebenfalls eine Hohlzylinder-Steifigkeit auf. Generell ist, wie Fachleuten bekannt ist, Steifigkeit oder Starrheit das Ausmaß, bis zu dem ein bestimmtes Objekt einer Verformung als Reaktion auf eine angewendete Kraft widersteht und das im Internationalen Einheitensystem typischerweise in Newton pro Meter (N/m) gemessen wird. Jede der Achswellen 16A und 16B beinhaltet auch eine einzelne innere Welle 30A, 30B, die sich durch den jeweiligen Hohlzylinder 22A, 22B entlang der jeweiligen Längsachse 24A, 24B erstreckt.
Jede innere Welle 30A, 30B ist definiert durch ein jeweiliges erstes Ende 32A, 32B, ein entferntes zweites Ende 34A, 34B und weist eine innere Wellensteifigkeit auf. Zusätzlich kann jede innere Welle 30A, 30B gegebenenfalls eine Hohlkonstruktion aufweisen. In jeder jeweiligen Achswelle 16A, 16B greift das erste Ende 32A, 32B der inneren Welle 30A, 30B in das erste Ende 26A, 26B des Hohlzylinders 22A, 22B über eine jeweilige Drehspielpassung 33A, 33B (gezeigt in 4) an einer ersten Schnittstelle 35A, 35B ein. Die Steifigkeit der inneren Welle 30A definiert eine jeweilige erststufige Steifigkeit oder einen Federfaktor S1A der Achswelle 16A, während die Steifigkeit der inneren Welle 30B eine jeweilige erststufige Steifigkeit oder einen Federfaktor S1B der Achswelle 16B definiert wie in 7 gezeigt. Zusätzlich definiert die kombinierte Steifigkeit der inneren Welle 30A und des Hohlzylinders 22A eine(n) zweistufige(n) Steifigkeit oder Federfaktor S2A der Achswelle 16A, während die kombinierte Steifigkeit der inneren Welle 30B und des Hohlzylinders 22B eine(n) zweistufige(n) Steifigkeit oder Federfaktor S2B der Achswelle 16B definiert wie auch in 7 dargestellt.
Wie gezeigt ist jedes zweite Ende 34A, 34B der inneren Wellen 30A, 30B drehfest auf dem jeweiligen zweiten Ende 28A, 28B des Hohlzylinders 22A, 22B befestigt. Die feste Verbindung der inneren Wellen 30A, 30B mit den Hohlzylindern 22A, 22B an den jeweiligen zweiten Enden 34A, 34B und 28A, 28B erleichtern das Verdrehen der inneren Welle 30A, 30B, d. h. Winkelverschiebung der ersten Enden 32A, 32B bezüglich der jeweiligen zweiten Enden 34A, 34B als Reaktion auf empfangenes Antriebskraftquellen-Drehmoment T von ausreichender Stärke, das über das Differential 20 übertragen wird. Die maximale Verdrehung jeder inneren Welle 30A, 30B ist definiert durch die Drehspielpassung 33A, 33B zwischen den ersten Enden 32A, 32B und 26A, 26B der jeweiligen inneren Welle 30A, 30B und Hohlzylinder 22A, 22B und ist auf einen vorbestimmten Winkel θ (gezeigt in 7) begrenzt. Jeder der Hohlzylinder 22A, 22B und der inneren Wellen 30A, 30B lassen sich aus einem formbarem Material von hoher Festigkeit wie Aluminium oder Stahl fertigen und für zusätzliche Steifigkeit mit einem Material wie Kohlenstofffaser verstärken. Dementsprechend werden die Steifigkeiten S2A und S2B der jeweiligen Achswelle 16A und der Achswelle 16B erzielt, nachdem die entsprechende innere Welle 30A, 30B maximale Verdrehung erfährt, die definiert ist durch die entsprechende Drehspielpassung 33A, 33B.
Beim Betrieb des Fahrzeugs 10 kann Kraftquellen-Drehmoment T, das durch das Differential 20 zwischen der ersten Achswelle 16A und der zweiten Achswelle 16B verteilt wird, zu einer unerwünschten Erscheinung führen, die als „Radspringen“ oder „Kraftspringen“ bekannt ist. Allgemein ist Radspringen oder Kraftspringen ein Schwingen oder Schütteln des Fahrzeugs während der Fahrzeugbeschleunigung infolge des Verlierens und des Wiedererlangens von Traktion der Fahrzeugräder in rascher Folge. Durch Ausbilden der ersten Achswelle 16A und der zweiten Achswelle 16B mit unterschiedlichen Steifigkeiten kann Radspringen minimiert werden. Wie in 8 gezeigt ist die Torsionsantwort der Achswelle 16A mit zweistufiger Steifigkeit bezüglich der Torsionsantwort der Achswelle 16B mit zweistufiger Steifigkeit phasenverschoben. Da der Energieeintrag in den Antriebsstrang und die Gesamtstruktur des Fahrzeugs 10 von jeder Achswelle 16A und 16B additiv ist, begrenzt eine solche Phasenverschiebung die Amplitude der gesamten durch den Fahrzeugantriebsstrang und die Struktur aufgenommenen Energie während des Kraftspringens. Somit dämpft die Phasenverschiebung auch die Wahrnehmung von Kraftspringen durch Insassen des Fahrzeugs 10.
Zum Minimieren des Auftretens und/oder der Größe des oben beschriebenen Kraftspringens ist mindestens eine erststufige Steifigkeit S1A und die zweistufige Steifigkeit S2A der ersten Achswelle 16A abweichend von der jeweiligen erststufigen Steifigkeit S1B und der zweistufigen Steifigkeit S2B der zweiten Achswelle 16B. Eine derartige unterschiedliche Ausbildung der ersten und zweiten Achswellen 16A, 16B stellt dem Achswellensystem 16 eine Seite-zu-Seite-Steifigkeits-Vorspannung in dem Fahrzeug 10 bereit. Insbesondere kann die Steifigkeit der ersten inneren Welle 30A abweichend von der Steifigkeit der zweiten inneren Welle 30B sein, d. h. sie weisen unterschiedliche Federraten auf. Um eine entsprechende Unterschiedlichkeit zwischen den jeweiligen Steifigkeiten der ersten und zweiten inneren Wellen 30A, 30B zu erreichen, kann die Differenz der Steifigkeiten größer als 10 % sein. Zum Erzielen einer gewünschten Differenz der betreffenden Steifigkeiten zwischen den ersten und zweiten inneren Wellen 30A, 30B kann ein Außendurchmesser und/oder ein Material der jeweiligen inneren Wellen 30A, 30B gezielt ausgewählt werden. Wenn gegebenenfalls ein hohler Aufbau für eine der inneren Wellen 30A, 30B verwendet wird, kann der Innendurchmesser der betreffenden Welle verändert werden, um die Steifigkeit davon anzupassen und um die gewünschte Differenz der betreffenden Steifigkeiten zwischen den ersten und zweiten inneren Wellen 30A, 30B zu erzielen.
Desgleichen können, um entsprechend zwischen der zweistufigen Steifigkeit S2A der ersten Achswelle 16A und der zweistufigen Steifigkeit S2B der zweiten Achswelle 16B zum Verringern von Kraftspringen zu unterscheiden, der erste Hohlzylinder 22A und der zweite Hohlzylinder 22B eine abweichende Federrate aufweisen. Mit anderen Worten, die Steifigkeit des ersten Hohlzylinders 22A kann abweichend von der Steifigkeit des zweiten Hohlzylinders 22B sein. Der Unterschied in den betreffenden Steifigkeiten kann größer als 10 % sein. Zum Erzielen einer gewünschten Differenz der betreffenden Steifigkeiten kann ein äußerer Durchmesser, ein innerer Durchmesser und/oder ein Material des jeweiligen Hohlzylinders 22A, 22B gezielt ausgewählt werden.
Wie in Schnitt 4-4 in 4 und in Schnitt 5-5 in 5 dargestellt kann jedes erste Ende 32A, 32B der inneren Wellen 30A, 30B eine erste äußere Kerbverzahnung 30-1A, 30-1B beinhalten und das erste Ende 26A, 26B des jeweiligen Hohlzylinders 22A, 22B kann eine erste innere Kerbverzahnung 22-1A, 22-1B beinhalten. Die erste äußere Kerbverzahnung 30-1A, 30-1B der inneren Welle 30A, 30B und die jeweils erste innere Kerbverzahnung 22-1A, 22-1B des Hohlzylinders 22A, 22B greifen wie dargestellt so ineinander ein, sodass eine vorgegebene Menge von Spiel in jedem Fall dazwischen vorhanden ist. Dementsprechend kann die Drehspielpassung 33A, 33B an den jeweiligen ersten Enden 32A, 32B und 26A, 26B über den Spielausgleich im Eingriff zwischen der ersten äußeren Kerbverzahnung 30-1A, 30-1B und der ersten inneren Kerbverzahnung 22-1A, 22-1B eingerichtet werden, sodass die maximale Verdrehung der jeweiligen inneren Welle 30A, 30B bis auf den vorbestimmten Winkel begrenzt istθ. Ein bestimmter Teil der Drehspielpassung 33A, 33B kann zwischen benachbarten Flächen der jeweiligen ersten äußeren Kerbverzahnung 30-1A, 30-1B und der ersten inneren Kerbverzahnung 22-1A, 22-1B auf jedem der Antriebsdrehmomente, d. h. Drehmoment T in positiver Richtung und jedem Bremsdrehmoment, d. h. Drehmoment T in negativer Richtung, seitlich der Kerbverzahnung eingerichtet werden. Derartige konkrete Teile der Drehspielpassung 33A, 33B zwischen den Antriebs- und Bremsseiten des Eingriffs der Kerbverzahnungen 30-1A, 30-1B und 22-1A, 22-1B können speziell für jede erste Achswelle 16A und zweite Achswelle 16B über numerische Berechnungen und/oder empirische Analyse berechnet werden, während der vorgegebene Winkel θ die gesamte Spielpassung 33A, 33B darstellt wie in 7 ersichtlich.
In jeder der ersten und zweiten Achswellen 16A, 16B kann ein erstes Dämpfungselement 36A, 36B zwischen der inneren Welle 30A, 30B und dem jeweiligen Hohlzylinder 22A, 22B angeordnet werden. Jedes erste Dämpfungselement 36A, 36B ist konfiguriert zum Steuern der Veränderung des Antriebsdrehmoments T durch die jeweiligen ersten und zweiten Achswellen 16A, 16B über erzeugte Dämpfung. Mit anderen Worten, das erste Dämpfungselement 36A, 36B verteilt gespeicherte Energie in relative Bewegung, d. h. Schwingungen zwischen der inneren Welle 30A, 30B und dem jeweiligen Hohlzylinder 22A, 22B als Ergebnis der Änderung von Antriebsmoment T. Zusätzlich ist das erste Dämpfungselement 36A, 36B zum Erzeugen eines allmählichens Schaltens ausgestaltet, mit anderen Worten, zum Glätten eines Übergangs 48 zwischen der erststufigen Steifigkeit S1A, S1B und der zweistufigen Steifigkeit S2A, S2B, die nachfolgend im Detail erörtert wird. Wie in 2 gezeigt kann jedes erste Dämpfungselement 36A, 36B als eine elastomere Komponente ausgestaltet sein, beispielsweise aus einem speziell abgestimmten Gummi-Compound geformt mit einer jeweiligen inneren Hysterese 46A, 46B. Jedes erste Dämpfungselement 36A, 36B weist wie gezeigt einen Innendurchmesser 36-1A, 36-1B und einen Außendurchmesser 36-2A, 36-2B auf. Um eine vordefinierte Verbindung zwischen dem Hohlzylinder 22A, 22B, dem elastomeren ersten Dämpfungselement 36A, 36B und der inneren Welle 30A, 30B zu erreichen und aufrechtzuhalten, kann das erste Dämpfungselement 36A, 36B an die jeweilige innere Welle am Innendurchmesser 36-1A, 36-1B und an den Hohlzylinder am Außendurchmesser 36-2A, 36-2B verbunden sein.
Der interne Hysterese 46A, 46B jeden elastomeren ersten Dämpfungselements 36A, 36B ist die aufgrund der betreffenden inneren Materialreibung verteilte Energie und ist im Allgemeinen dargestellt als ein Bereich in der Mitte eines Diagramms, das eine Kraft gegenüber Verlängerung in 7 darstellt. Dementsprechend kann das elastomere erste Dämpfungselement 36A, 36B eine Doppelfunktion von Federn und Dämpfen wahrnehmen, da die betreffende ausgeprägte Hysterese des Materials nicht die gesamte absorbierte Kompressionsenergie beim Ausfedern freisetzt. Zusätzlich kann die elastische Hysterese abhängig vom Ausmaß der Belastung sein, beispielsweise kann die elastische Hysterese in Elastomeren deutlicher ausgeprägt sein, wenn Be- und Entlastungen schnell erfolgen als wenn sie langsam erfolgen.
In einem separaten Ausführungsbeispiel nach 5 kann das erste Dämpfungselement 36A und/oder 36B als eine Reibungskomponente ausgebildet sein. Die Reibungskomponente erstes Dämpfungselement 36A, 36B kann wie dargestellt zum Erzeugen einer Reibungskraft zwischen der inneren Welle 30A, 30B und dem jeweiligen Hohlzylinder 22A, 22B vorgespannt werden und somit entsprechende Reibhysterese 46A, 46B (gezeigt in 7) und Dämpfung zum Steuern von Schwingungen zwischen der speziellen inneren Welle und Hohlzylinder bereitstellen. Die Reibungskomponente des ersten Dämpfungselements 36A, 36B kann wie dargestellt innerhalb des Hohlzylinders 22A, 22B angeordnet und über ein elastisches Element 44 wie eine Feder vorgespannt werden. Die Reibungskomponente des Ausführungsbeispiels des ersten Dämpfungselements 36A, 36B kann als eine oder mehrere Reibungsscheiben in Reihe ausgebildet sein. Jede solcher Reibungsscheiben kann aus Graphit oder jedem beliebigen anderen geeigneten Material ausgebildet sein, das stabile Reibcharakteristika in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen des Fahrzeugs 10 bereitzustellen.
In der Ausführungsform, worin die erste Achswelle 16A mit zweistufiger Steifigkeit und die zweite Achswelle 16B mit zweistufiger Steifigkeit die jeweils ersten Dämpfungselemente 36A, 36B beinhalten, kann die durch das ausgewählte erste Dämpfungselement 36A der ersten inneren Welle 30A erzeugte Dämpfung von der durch das ausgewählte erste Dämpfungselement 36B der zweiten inneren Welle 30B erzeugten Dämpfung abweichen. Dementsprechend können unterschiedliche Eigenschaften, die speziell für die ersten Dämpfungselemente 36A, 36B ausgewählt wurden, zusätzlich zum Beeinflussen der Reaktion des Achswellensystems 16 hinsichtlich des Minimierens von Kraftspringen verwendet werden.
Zusätzlich kann gemäß Schnitt 5-5 in 5 ein zweites Dämpfungselement 38A, 38B zwischen der ersten äußeren Kerbverzahnung 30-1A, 30-1B und der jeweils ersten inneren Kerbverzahnung 22-1A, 22-1B angeordnet werden und kann zum Verändern des Antriebsdrehmoments T, das von der speziellen Achswelle 16A oder 16B an der ersten Schnittstelle 35A, 35B über erzeugte Dämpfung übertragen wird, ausgebildet sein. Das zweite Dämpfungselement 38A, 38B kann eine elastomere Komponente sein, beispielsweise aus einem Material ähnlich dem Elastomer-Ausführungsbeispiel des ersten Dämpfungselements 36A, 36B geformt. Das zweite Dämpfungselement 38A, 38B kann jeweils die Drehspielpassung 33A, 33B besetzen und ferner die gesamte durch die Drehspielpassung definierte Öffnung teilweise oder ganz ausfüllen. Die Dämpfung, die durch die ersten und/oder zweiten Dämpfungselemente 36A, 36B, 38A, 38B vorgesehen wird, soll die Wirkung einer Steuerung haben, wie beispielweise der Reduzierung oder Begrenzung von Drehschwingungen der inneren Welle 30A, 30B bezüglich der Hohlzylinder 22A, 22B innerhalb der jeweiligen ersten Achswelle 16A und der zweiten Achswelle 16B. Solche Dämpfung entsteht durch Verteilen der gespeicherten Energie in den entsprechenden Schwingungen.
In der Ausführungsform, worin die erste Achswelle 16A mit zweistufiger Steifigkeit und die zweite Achswelle 16B mit zweistufiger Steifigkeit die jeweiligen zweiten Dämpfungselemente 38A, 38B beinhalten, kann die durch das ausgewählte zweite Dämpfungselement 38A der ersten inneren Welle 30A erzeugte Dämpfung von der durch das ausgewählte zweite Dämpfungselement 38B der zweiten inneren Welle 30B erzeugten Dämpfung abweichen. Daher können unterschiedliche gezielt für die zweiten Dämpfungselemente 38A, 38B ausgewählte Eigenschaften verwendet werden, um zusätzlich die Reaktion des Achswellensystems 16 hinsichtlich Minimierung von Kraftspringen zu beeinflussen.
Gemäß Schnitt 6-6 in 6 kann das zweite Ende 34A, 34B der inneren Welle 30A, 30B eine entsprechende zweite äußere Kerbverzahnung 30-2A, 30-2B beinhalten und das zweite Ende 28A, 28B des Hohlzylinders 22A, 22B kann eine zweite innere Kerbverzahnung 22-2A, 22-2B beinhalten. Jede zweite äußere Kerbverzahnung 30-2A, 30-2B kann in die zweite innere Kerbverzahnung 22-2A, 22-2B bei einer jeweiligen zweiten Schnittstelle 37A, 37B presseingepasst werden, um dadurch die drehfeste Verbindung des zweiten Endes 34A, 34B und dem zweiten Ende 28A, 28B einzurichten. Eine alternative Ausbildung der zweiten Schnittstelle 37A, 37B kann das zweite Ende 34A, 34B der inneren Welle 30A, 30B verschweißt mit dem zweiten Ende 28A, 28B des Hohlzylinders 22A, 22B beinhalteten, ob mittels der zweiten inneren und äußeren Innenverzahnungen 22-2A, 22-2B und 30-2A, 30-2B oder ob nicht.
Dementsprechend kann jede der Elastomer- und Reibungskomponenten-Ausführungsformen des ersten Dämpfungselements 36 für entsprechende jeweiligen Hysterese 46A, 46B zum konsistenten Dämpfen verwendet werden, wenn das Antriebsdrehmoment T durch die erststufige Steifigkeit S1A, S1B der jeweiligen Achswelle 16A, 16B durch den vorbestimmten Winkel gefiltert wird θ. Weiterhin sind die erststufige Steifigkeit S1A, S1B und die Reibungsdämpfung zusammen konfiguriert zum Dämpfen der Veränderung des Kraftquellen-Antriebsdrehmoments T, das durch die jeweiligen ersten und zweiten Achswellen 16A, 16B übertragen werden soll und so mögliche Schwingungen im Antriebsstrang des Fahrzeugs 10 reduzieren soll. Die erststufige Steifigkeit S1A, S1B ist in Kombination mit der entsprechenden Reibungsdämpfung in erster Linie zum wirksamen Filtern hoher und niederfrequenter Schwingungen im Kraftquellendrehmoment T gedacht, wie sie während Fahrzeugbetriebsbedingungen auftreten können.
Auf der anderen Seite ist die zweistufige Steifigkeit S2A, S2B gedacht, eine reduzierte Achswellen-16A-16B-Übereinstimmung für Fahrzeugbeschleunigung unter hohem Kraftquellendrehmoment T wie bei weit geöffneter Drosselklappe bereitzustellen. Weiterhin wird ein Übergang 48 zwischen der erststufigen Steifigkeit S1A, S1B und der zweistufigen Steifigkeit S2A, S2B wie in 7 durch die bereitgestellte Dämpfung gesteuert, die durch die jeweilige Hysterese 46A oder 46B über das erste Dämpfungselement 36A, 36B von einer der beiden vorstehend genannten Ausführungsformen bereitgestellt wird. Wie vorstehend diskutiert soll die Hysterese 46A, 46B vorwiegend Schwingungsamplituden verringern, wenn die Achswelle 16A, 16B in der erststufigen, d. h. bei Steifigkeit S1A, S1B betrieben wird, die bei vorübergehenden Fahrmanövern mit hoher Amplitude stattfinden können.
Der Übergang 48 zwischen der erststufigen Steifigkeit S1A, S1B und der zweistufigen Steifigkeit S2A, S2B soll das Steuern der vorübergehenden Drehmomentschwingungen erleichtern, die stattfinden können, wenn der Betrieb des Fahrzeugs 10 zwischen Antriebs- und Bremsdrehmoment bei verschiedenen Fahrzeugmanövern schaltet. So können beispielsweise solche vorübergehenden Drehmomentschwingungen erzeugt werden, wenn die Richtung des Drehmoments, das von der Antriebswelle übertragen wird, vom Kraftquellendrehmoment T, das das Fahrzeugs 10 antreibt, zum Fahrzeugträgheits-Zurückfahren des Antriebsstrangs und Erzeugen von Motorbremsung schaltet. Zusätzlich können sich entsprechende vorübergehende Drehmomentschwingungen aus erhöhten Torsionsschwingungen ergeben, die durch einen Motor mit einigen abgeschalteten Zylindern erzeugt wurden, wenn beispielsweise zwei Zylinder in einem Vierzylindermotor für eine verbesserte Kraftstoffeffizienz deaktiviert sind.
Somit stellt das Achswellensystem 16 mit zweistufiger Steifigkeit asymmetrische Steifigkeit oder Seite-zu-Seite-Steifigkeits-Vorspannung zwischen den beiden Achswellen 16A und 16B bereit. Eine solche Seite-zu-Seite-Steifigkeits-Vorspannung zusammen mit der unterschiedlichen Dämpfung in den beiden Achswellen 16A, 16B soll unerwünschte Reaktion des Achswellensystem 16 wie Kraftspringen bis Antriebsdrehmoment T von der Kraftquelle 12 beim Betrieb des Fahrzeugs 10 steuern wie in 8 dargestellt. Speziell veranschaulicht das Diagramm in 8 die asymmetrische Torsionsantwort der jeweiligen Achswellen 16A, 16B mit zweistufiger Steifigkeit in Abhängigkeit von der Zeit unter typischen Bedingungen für Kraftspringen.

Claims

Achswellensystem (16) zum Übertragen eines Antriebsdrehmoments in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs (10), worin das Achswellensystem (16) Folgendes umfasst: eine erste Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und eine zweite Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit; worin jede der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit Folgendes beinhaltet: einen Hohlzylinder (22A, 22B), der durch eine Längsachse (24A, 24B), ein erstes Ende (26A, 26B) und ein entferntes zweites Ende (28A, 28B) und eine Hohlzylinder-Steifigkeit definiert ist; und eine innere Welle (30A, 30B), die durch den Hohlzylinder (22A, 22B) entlang der Längsachse (24A, 24B) verläuft und durch ein erstes Ende (32A, 32B), ein entferntes zweites Ende und eine Innere-Welle-Steifigkeit definiert ist; worin jede der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweite Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit so ausgebildet ist, dass: das erste Ende (32A, 32B) der jeweiligen inneren Welle (30A, 30B) in das erste Ende (26A, 26B) des jeweiligen Hohlzylinders (22A, 22B) über eine Drehspielpassung (33A, 33B) eingreift; das zweite Ende (34A, 34B) der jeweiligen inneren Welle (30A, 30B) drehfest an dem zweiten Ende (28A, 28B) des jeweiligen Hohlzylinders (22A, 22B) befestigt ist, sodass das erste Ende (32A, 32B) der inneren Welle (30A, 30B) sich um einen vorbestimmten Winkel bezüglich des zweiten Endes (34A, 34B) der inneren Welle (30A, 30B) in Reaktion auf das Antriebsdrehmoment (T) drehen wird; und die Innere-Welle-Steifigkeit eine erststufige Steifigkeit (S1A, S1B) der jeweiligen Achswelle (16A, 16B) definiert und die Innere-Welle-Steifigkeit zusammen mit der Hohlzylinder-Steifigkeit eine zweistufige Steifigkeit (S2A, S2B) der jeweiligen Achswelle (16A, 16B) definiert; und worin mindestens eine der erststufigen Steifigkeit (S1A, S1B) und die zweistufige Steifigkeit (S2A, S2B) der ersten Achswelle (16A) von der jeweiligen erststufigen Steifigkeit (S1A, S1B) und der zweistufigen Steifigkeit (S2A, S2B) der zweiten Achswelle (16B) abweicht.
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 1, worin die Steifigkeit der ersten inneren Welle (30A) abweichend ist von der Steifigkeit der zweiten inneren Welle (30B).
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 1, worin die Steifigkeit des ersten Hohlzylinders (22A) von der Steifigkeit des zweiten Hohlzylinders (22B) abweicht.
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 1, worin mindestens eine der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit auch ein erstes Dämpfungselement (36A, 36B) zwischen der inneren Welle (30A, 30B) und dem Hohlzylinder (22A, 22B) beinhaltet und zum Steuern der Veränderung des Antriebsdrehmoments (T) ausgestaltet ist, das von der Achswelle (16A, 16B) über erzeugte Dämpfung übertragen wird und worin das erste Dämpfungselement (36A, 36B) ausgestaltet ist zum Erzeugen eines allmählichen Übergangs zwischen der erststufigen Steifigkeit (S1A, S1B) und der zweistufigen Steifigkeit (S2A, S2B).
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 4, worin, wenn jede der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweite Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit das jeweilige erste Dämpfungselement (36A, 36B) beinhaltet, die vom ersten Dämpfungselement (36A) der ersten inneren Welle (30A) erzeugte Dämpfung von der vom ersten Dämpfungselement (36B) der zweiten inneren Welle (30B) erzeugten Dämpfung abweicht.
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 4, worin mindestens eine der ersten Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit so ausgebildet ist, dass: das erste Ende (32A, 32B) der inneren Welle (30A, 30B) eine erste äußere Kerbverzahnung (30-1A, 30-1B) beinhaltet und das erste Ende (26A, 26B) des Hohlzylinders (22A, 22B) eine erste innere Kerbverzahnung (22-1A, 22-1B) beinhaltet; und die erste äußere Kerbverzahnung (30-1A, 30-1B) in die erste innere Kerbverzahnung (22-1A, 22-1B) über die Drehspielpassung (33A, 33B) an einer ersten Schnittstelle eingreift.
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 6, worin: mindestens eine der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit auch ein zweites Dämpfungselement (38A, 38B) zwischen der ersten äußeren Kerbverzahnung (30-1A, 30-1B) und der ersten inneren Kerbverzahnung (22-1A, 22-1B) beinhaltet; und das zweite Dämpfungselement (38A, 38B) eine Elastomer-Komponente ist, die die Drehspielpassung (33A, 33B) besetzt und ausgestaltet ist zum Steuern der Veränderung des Antriebsdrehmoments (T), das von der Achswelle (16A, 16B) an die erste Schnittstelle über erzeugte Dämpfung übertragen wird.
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 7, worin, wenn jede der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit das jeweilige zweite Dämpfungselement (38A, 38B) beinhaltet, die durch das zweite Dämpfungselement (38A) der ersten inneren Welle (30A) erzeugte Dämpfung von der durch das zweite Dämpfungselement (38B) der zweiten inneren Welle (30B) erzeugten Dämpfung abweicht.
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 4, worin mindestens eine der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweite Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit so ausgebildet ist, dass: das zweite Ende (34A, 34B) der inneren Welle (30A, 30B) eine zweite äußere Kerbverzahnung (30-2A, 30-2B) beinhaltet und das zweite Ende (28A, 28B) des Hohlzylinders (22A, 22B) eine zweite innere Kerbverzahnung (22-2A, 22-2B) beinhaltet; und die zweite äußere Kerbverzahnung (30-2A, 30-2B) presseingepasst ist in die zweite innere Kerbverzahnung (22-2A, 22-2B) an einer zweiten Schnittstelle.
Achswellensystem (16) mit zweistufiger Steifigkeit nach Anspruch 1, worin mindestens eine der ersten Achswelle (16A) mit zweistufiger Steifigkeit und der zweiten Achswelle (16B) mit zweistufiger Steifigkeit so konstruiert ist, dass das zweite Ende (34A, 34B) der inneren Welle (30A, 30B) mit dem zweiten Ende (28A, 28B) des Hohlzylinders (22A, 22B) verschweißt ist.