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Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle mit einem Überlastdämpfer sowie ein Verfahren zur Drehmomentbegrenzung der Antriebswelle mit einem solchen Überlastdämpfer gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Bei diversen Fahrmanövern oder technischen Vorgängen können im Antriebsstrang impulshafte Lastwechsel entstehen, welche eine Überlast im Antriebsstrang bewirken. Die impulshaften Lastwechsel im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges können dabei sowohl durch radseitige Schläge als auch durch das Antriebssystem bedingte Lastspitzen beschrieben werden.
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Radseitige Schläge werden meistens durch Fahrmanöver bedingt. Hierzu zählen beispielsweise die Ab- und Auffahrt auf einen Bordstein, das Überfahren von Hindernissen auf der Straße oder ein sich sprunghaft änderndes Reibverhältnis zwischen Rad und Straße. Beim Überfahren eines Hindernisses erfährt der Antriebsstrang einen starken Störimpuls, welcher u.a. durch die sich ändernde Radaufstandskraft bedingt ist. Der auf den Triebstrang wirkende Widerstand erhöht sich beim Auffahren auf das Hindernis. Bei der Abfahrt vom Hindernis kann es einen weiteren Störimpuls geben, welcher beispielsweise durch Schlupf beim Auftreffen des Rades auf die Straße verursacht wird.
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Ein weiterer Störimpuls kann in den Antriebsstrang eingebracht werden, wenn bei sich noch bewegendem Kraftfahrzeug die Parksperre aktiviert wird. Dabei wird das Kraftfahrzeug schlagartig abgebremst, wodurch ein heftiger Schlag auf den Antriebsstrang ausgeübt wird. Dieser Schlag resultiert vor allem aus der relativ hohen Trägheit des Antriebsmotors, welcher mit seiner Trägheit gegen die sich schließende Parksperre schiebt. Die entstehenden Momentenspitzen führen zu hohen Lasten im Antriebsstrang, welche auch eine Beschädigung nach sich ziehen können.
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Zur Minimierung der im Antriebsstrang entstehenden Schwingungen kann entweder ein Dämpfer oder ein Überlastschutz vorgesehen werden. Die Funktionsweise beider Maßnahmen ist grundlegend unterschiedlich und unterscheidet sich dementsprechend auch im konstruktiven Aufbau. Bei einem Schwingungsdämpfer wird mittels geeigneter Dämpfungsprinzipien, insbesondere mittels Reibung, die Schwingungsenergie aus dem System dissipiert und in Wärme umgesetzt. Ein Überlastschutz sieht in erster Linie vor, den Antriebsstrang zu entkoppeln und gegebenenfalls mittels zusätzlicher Maßnahmen eine Verlustleistung zu erzielen, um das System zu beruhigen. Ein typisches Beispiel für einen Überlastschutz ist eine Rutschkupplung.
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Aus der
DE 411 52 43 A1 ist ein Drehschwingungsdämpfer für ein Antriebswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes bekannt. Dabei ist eine Hülse vorgesehen, welche im Ausgangszustand an einer Abstützschulter an der Antriebswelle anliegt. Die Hülse ist derart auf der Antriebswelle axial verschiebbar, dass die Hülse durch eine axiale Bewegung gegen eine Rückstellfeder die Schwingungen im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges dämpft. Das Leerlaufrasseln des Getriebes wird durch die axiale Bewegung eines Zahnrades gegen eine Tellerfeder gedämpft. Die Tellerfeder besitzt eine geringere Federrate als die Rückstellfeder. Das Spiel zwischen der Hülse und dem Zahnrad verhindert die Übertragung von Schwingungen bei einer stehenden Antriebswelle.
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Die
DE 10 2010 029 827 A1 beschreibt einen Drehschwingungsdämpfer für eine Antriebswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes. Der Drehschwingungsdämpfer umfasst eine axial verschiebbare Hülse, welche auf der Antriebswelle angeordnet ist. Die Hülse weist eine Tasche mit einer Laufbahn auf, in der sich ein Nocken abwälzt. Durch eine Überkrümmung im Endabschnitt der Laufbahn wird der Nocken bei Drehmomentübertragung in der Laufbahn zurückgehalten.
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Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Schwingungsdämpfern ist es, dass bei einer Überlast das Dämpfungselement an einen Anschlag gedrückt wird und der Kraftfluss bei Überlast nicht unterbrochen wird, sodass eine Überlast zu einer Schädigung des Antriebsstrangs führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schläge im Antriebsstrang zu minimieren und die daraus resultierenden Auswirkungen zu reduzieren. Ferner soll eine Beschädigung des Antriebsstrangs durch eine Überlast verhindert werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Antriebswelle mit einem Überlastdämpfer zur Verwendung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mit einer Antriebsverzahnung und einer Abtriebsverzahnung, wobei eine der Verzahnungen an der Antriebswelle ausgebildet oder drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist, wobei die jeweils andere Verzahnung relativ zu der Antriebswelle verdrehbar ist, gelöst. Dabei ist zwischen der Antriebsverzahnung und der Abtriebsverzahnung ein Ausrückelement angeordnet, welches zumindest in einem Betriebszustand ein Antriebsmoment auf die relativ zu der Antriebswelle verdrehbare Verzahnung überträgt. Das Ausrückelement weist einen Nocken auf, welcher an der verdrehbaren Verzahnung anliegt und eine axiale Verschiebung des Ausrückelements gegen eine Feder bewirkt, wenn ein zwischen dem Ausrückelement und der verdrehbaren Verzahnung übertragene Drehmoment einen ersten Schwellenwert überschreitet. Es wird eine temporäre Unterbrechung des Kraftflusses zwischen dem Ausrückelement und der verdrehbaren Verzahnung bewirkt, wenn das zu übertragende Drehmoment einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Dadurch ist sowohl eine Dämpfung von leichten Störimpulsen, beispielsweise beim Überfahren einer Schwelle, als auch ein effektiver Überlastschutz bei starken Störimpulsen möglich. Somit können die maximal durch die Antriebswelle übertragbaren Kräfte und Momente begrenzt werden, sodass die Gefahr einer Beschädigung von mit der Antriebswelle verbundenen Komponenten reduziert wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Antriebswelle mit Überlastdämpfer möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Antriebswelle eine Außenverzahnung ausgebildet ist, welche mit einer Innenverzahnung an dem Ausrückelement in Wirkverbindung steht, derart, dass ein Antriebsmoment von der Antriebswelle durch Formschluss auf das Ausrückelement übertragbar ist und das Ausrückelement in axialer Richtung auf der Antriebswelle verschiebbar ist. Durch eine Verzahnung ist eine funktionssichere Übertragung eines Antriebsmoments von der Antriebswelle auf das Ausrückelement möglich. Dabei kann durch den Formschluss ein hohes Drehmoment übertragen werden. Gleichzeitig ermöglicht eine Verzahnung eine axiale Verschiebbarkeit des Ausrückelements, sodass das Ausrückelement unter Last gegen die Feder verschoben werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Antriebswelle ist vorgesehen, dass an dem Ausrückelement eine erste Reibkontur und an der verdrehbaren Verzahnung eine zweite Reibkontur ausgebildet sind, um ein Antriebsmoment von dem Ausrückelement auf die verdrehbare Verzahnung zu übertragen. Im Normalbetrieb wird ein Antriebsmoment von dem Ausrückelement reibschlüssig auf die verdrehbare Verzahnung übertragen. Dabei wird eine Reibfläche an dem Ausrückelement durch die Kraft der Feder gegen eine Reibfläche an der verdrehbaren Verzahnung übertragen. Bei einem Störimpuls wandert die Nocke entlang der Reibfläche an der verdrehbaren Verzahnung, wodurch das Ausrückelement gegen die Feder gepresst und die Vorspannung im System erhöht wird. Somit können kleine Störimpulse abgefangen und gedämpft werden. Überschreitet der Störimpuls einen zweiten Schwellenwert, so wird das Ausrückelement derart stärkt in axialer Richtung verschoben, dass der Nocken an der verdrehbaren Verzahnung durchrutschen kann. Somit werden starke Störimpulse, welche zu starken Schlägen im Antriebsstrang führen, begrenzt. Dadurch kann eine Beschädigung der mit der Antriebswelle verbundenen Bauteile durch eine Überlast betriebssicher vermieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebsverzahnung als Innenverzahnung der Antriebswelle ausgebildet ist. Um eine Antriebskraft auf die Antriebswelle zu überragen, kann die Antriebswelle mit einer Innenverzahnung ausgeführt werden. Somit ist ein koaxialer Anschluss an einen Antriebsmotor, insbesondere an einen elektrischen Antriebsmotor möglich, wodurch der Bauraumbedarf in radialer Richtung minimiert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebsverzahnung als Außenverzahnung an der Antriebswelle oder als Verzahnung an einem drehfest mit der Antriebswelle verbundenen Zahnrad ausgebildet ist. Eine solche Antriebswelle kann insbesondere auch als Zwischenwelle in einem Kraftfahrzeuggetriebe eingesetzt werden. Durch die Außenverzahnung oder das drehfest mit der Antriebswelle verbundene Zahnrad ist ein einfacher Antrieb der Antriebswelle möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Antriebswelle ist vorgesehen, dass die Abtriebsverzahnung als ein Zahnrad ausgebildet ist, welches relativ zu der Antriebswelle verdrehbar ist. Dabei wird das Antriebsmoment eines Antriebsmotors, insbesondere eines elektrischen Antriebsmotors über die Abtriebsverzahnung an eine weitere Antriebswelle, ein Differenzial oder einen Radantrieb übertragen. Dabei können durch den Überlastdämpfer insbesondere auch Störimpulse oder Schläge auf die Antriebswelle gedämpft oder eliminiert werden, welche durch eine radseitige Störung in den Antriebsstrang eingebracht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Antriebswelle ist vorgesehen, dass an der verdrehbaren Verzahnung eine Senke ausgebildet ist, in welcher der Nocken des Ausrückelements in einem unbelasteten Ausgangszustand der Antriebswelle anliegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Reibkonturen an dem Ausrückelement und an der verdrehbaren Verzahnung in Kontakt stehen und im Ausgangszustand reibschlüssig das Antriebsmoment von der Antriebswelle über das Ausrückelement auf das Abtriebszahnrad übertragen wird. Ferner kann durch die Senke der Bauraumbedarf in axialer Richtung reduziert werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn an der verdrehbaren Verzahnung eine Steigrampe mit einer Reibkontur ausgebildet ist, an welcher der Nocken aufsteigt und eine axiale Verschiebung des Ausrückelements bewirkt. Dies wird bewirkt, wenn das Antriebsmoment einen ersten Schwellenwert überschreitet, der Reibschluss zwischen dem Ausrückelement und der verschiebbaren Verzahnung unterbrochen wird und der Nocken an der verschiebbaren Verzahnung durchrutscht, wenn das zu übertragende Moment einen zweiten Schwellenwert übersteigt. Verwendet man in diesem Fall einen relativ flachen Winkel an der Reibkontur, so bewegt sich der Nocken bei einer eintretenden Schwingung aus der Senke heraus zum höchsten Punkt auf der Reibkontur. Bei einer Überlast überschreitet der Nocken diesen höchsten Punkt und die Antriebswelle rutscht in Bezug auf die Abtriebsverzahnung durch. Die Abtriebsverzahnung kann dabei relativ zur Antriebswelle verdreht werden und ist auf der Antriebswelle gelagert. Entgegen den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen existiert bei einer solchen Auslegung der Reibkontur kein Anschlag, welcher ein Durchrutschen zwischen dem Ausrückelement und der Abtriebsverzahnung verhindert. Abhängig von der Anpresskraft der Feder entsteht eine Reibkraft im Kontakt und dämpft zusätzlich die im Antriebsstrang entstehenden Schwingungen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Feder als Wellfeder, Tellerfeder oder Spiralfeder ausgeführt ist. Durch eine Wellfeder oder eine Tellerfeder kann ein über den Umfang verteilt besonders gleichmäßiges Anpressen des Ausrückelements an die Abtriebsverzahnung erfolgen. Durch eine Spiralfeder kann eine besonders einfach und kostengünstige Feder eingesetzt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einer solchen Antriebswelle, auf der ein Überlastdämpfer angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Getriebesystem mit einer solchen Antriebswelle, wobei die Getriebeeingangswelle oder eine Zwischenwelle einen solchen Überlastdämpfer aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehmomentbegrenzung mit einer solchen Antriebswelle, wobei in einem ersten Betriebszustand ein Antriebsmoment zwischen dem Ausrückelement und der verdrehbaren Verzahnung übertragen wird und in einem zweiten Betriebszustand, bei Übersteigen eines Schwellenwertes, eine Kraftübertragung zwischen dem Ausrückelement und der verdrehbaren Verzahnung unterbrochen wird, um die Antriebswelle und die mit der Antriebswelle drehfest verbundenen Komponenten vor einer Überlast zu schützen. Dabei führt eine Überlast zu einem definierten Durchrutschen des Ausrückelements an der verdrehbaren Verzahnung, insbesondere an einem Abtriebszahnrad, welches auf der Antriebswelle angeordnet ist. Somit können die Komponenten, welcher mit der Antriebswelle verbunden sind, insbesondere ein elektrischer Antriebsmotor, vor einer Beschädigung durch eine Überlast geschützt werden.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebswelle mit einem Überlastdämpfer in einer schematischen Darstellung;
- 2 die erfindungsgemäße Antriebswelle mit einem Überlastdämpfer in einer unbelasteten Ausgangsposition;
- 3 die erfindungsgemäße Antriebswelle mit einem Überlastdämpfer in einer Endposition, bei der eine Überlast zu einem Durchrutschen des Ausrückelements an dem Abtriebszahnrad führt;
- 4 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebswelle mit einem Überlastdämpfer; und
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Antriebswelle, welche zusätzlich ein zweites Zahnrad aufweist.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebswelle 1 mit einem Überlastdämpfer 2 dargestellt. An der Antriebswelle 1 ist eine Innenverzahnung 4 ausgebildet, welcher zum Antrieb der Antriebswelle 1 dient und auch als Antriebsverzahnung 3 bezeichnet wird. Die Antriebsverzahnung 3 wird durch eine weitere Antriebswelle angetrieben, welche ihrerseits von einem Antriebsmotor, vorzugsweise von einem elektrischen Antriebsmotor angetrieben wird. Die Antriebswelle 1 ist vorzugsweise eine Getriebeeingangswelle eines Planetengetriebes.
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Auf der Antriebswelle 1 sind eine Feder 16, ein Ausrückelement 10 und eine Abtriebsverzahnung 6 in Form eines Abtriebszahnrades 7 angeordnet. Das Ausrückelement 10 ist formschlüssig durch eine Innenverzahnung 22 mit einer Außenverzahnung 15 an der Antriebswelle 1 verbunden und in axialer Richtung gegen die Feder 16 verschiebbar. Das Abtriebszahnrad 7 ist gegenüber der Antriebswelle 1 verdrehbar und wird in axialer Richtung durch eine Scheibe 18 fixiert. Ferner ist auf der Antriebswelle 1 ein Lager 9 angeordnet. Die Scheibe 18 und/oder das Lager 9 sind mittels eines Sicherungselements 8 gegen eine Bewegung in axialer Richtung gesichert.
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Die Feder 16 ist als Wellfeder 17 ausgeführt und stützt sich mit einem ersten Ende an einem Absatz der Antriebswelle 1 ab. Ein zweites Ende der Feder 16 drückt gegen das Ausrückelement 10, wodurch das Ausrückelement 10 an dem Abtriebszahnrad 7 anliegt. Dabei ist an dem Ausrückelement 10 ein Nocken 11 ausgebildet, welche in einem unbelasteten Ausgangszustand in einer Senke 19 an dem Abtriebszahnrad 7 anliegt. An dem Ausrückelement 10 und an dem Abtriebszahnrad 7 sind jeweils eine Reibkontur 12, 21 ausgebildet, welche in Kontakt miteinander stehen und reibschlüssig ein Antriebsmoment MA der Antriebswelle 1 auf das Abtriebszahnrad 7 übertragen. Die Reibkontur 21 an dem Abtriebszahnrad 7 weist eine Rampe 13 auf, an welcher der Nocken 11 des Ausrückelements 10 unter Erhöhung der Federvorspannung der Feder 16 und damit verbunden unter Erhöhung der Reibkraft bei einer Verdrehung aufsteigen kann.
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In 2 ist die Antriebswelle 1 in einem unbelasteten Ausgangszustand dargestellt. Dabei liegt der Nocken 11 des Ausrückelements 10 in einer Senke 19 oder einer Ausnehmung 20 an dem Abtriebszahnrad 7 an. Ferner stehen die Reibkonturen 12, 21 an dem Ausrückelement 10 und dem Abtriebszahnrad 7 in Wirkkontakt, sodass ein Antriebsmoment von der Antriebswelle 1 über das Ausrückelement 10 auf das Abtriebszahnrad 7 übertragen werden kann.
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In 3 ist die Antriebswelle 1 in einem zweiten Betriebszustand dargestellt, bei dem eine Überlast auf den Kupplungskörper 14 einwirkt und somit das maximal zulässige Drehmoment überschritten wird. Dabei rutscht der Nocken 11 des Ausrückelements 10 trotz maximaler Federvorspannung der Feder 16 an dem Abtriebszahnrad 7 durch, so dass eine Drehmomentübertragung unterbrochen wird.
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In 4 ist eine erfindungsgemäße Antriebswelle 1 in einer Explosionsdarstellung gezeit. Dabei ist insbesondere zu erkennen, dass an dem Ausrückelement 10 eine Innenverzahnung 22 ausgebildet ist, welche mit einer Außenverzahnung 15 an der Antriebswelle 1 in Wirkverbindung steht. Ferner ist zu erkennen, dass das Abtriebszahnrad 7 keine Innenverzahnung aufweist und somit relativ zu der Antriebswelle 1 verdrehbar ist. Die Antriebswelle 1 ist durch das Lager 9, welches vorzugsweise als Wälzlager ausgeführt ist, drehbar in einem Gehäuse gelagert.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebswelle 1 dargestellt. Die Antriebswelle 1 in diesem Ausführungsbeispiel kann insbesondere eine Zwischenwelle eines Kraftfahrzeuggetriebes sein. Bei einem im Wesentlichen gleichen Aufbau, wie in 1 ausgeführt, ist die Antriebsverzahnung 3 in diesem Ausführungsbeispiel als ein erstes Zahnrad 5 ausgebildet, welches drehfest mit der Antriebswelle 1 verbunden ist. Die Antriebswelle 1 weist an ihren Enden jeweils einen Lagerabschnitt 24 auf, an welchem die Antriebswelle 1 mittels eines Lagers 9, insbesondere mittels eines Wälzlagers, drehbar gelagert werden kann. Auf der Antriebswelle 1 ist ein Abtriebszahnrad 7 angeordnet, welches sich an einer Schulter 25 der Antriebswelle 1 abstützt und somit gegen eine axiale Verschiebung gesichert ist. Das Abtriebszahnrad 7 ist relativ zu der Antriebswelle 1 verdrehbar auf der Antriebswelle 1 gelagert. Das erste Zahnrad 5, also die Antriebsverzahnung 3, ist durch eine Scheibe 18 und einen Sicherungsring 8 gegen eine Bewegung in axialer Richtung gesichert. Zwischen dem ersten Zahnrad 5 und dem Abtriebszahnrad 7 sind eine Feder 16 und ein Ausrückelement 10 angeordnet, welches durch die Feder 16 vorgespannt wird und gegen das Abtriebszahnrad 7 gedrückt wird, um reibschlüssig ein Antriebsmoment zu übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- Überlastdämpfer
- 3
- Antriebsverzahnung
- 4
- Innenverzahnung
- 5
- Erstes Zahnrad
- 6
- Abtriebsverzahnung
- 7
- Abtriebszahnrad
- 8
- Sicherungselement
- 9
- Lager
- 10
- Ausrückelement
- 11
- Nocken
- 12
- Erste Reibkontur
- 13
- Rampe
- 14
- Kupplungskörper
- 15
- Außenverzahnung
- 16
- Feder
- 17
- Wellfeder
- 18
- Scheibe
- 19
- Senke
- 20
- Ausnehmung
- 21
- Zweite Reibkontur
- 22
- Innenverzahnung
- 23
- Zweites Zahnrad
- 24
- Lagerabschnitt
- 25
- Schulter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4115243 A1 [0006]
- DE 102010029827 A1 [0007]
