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Antriebswelle für Kraftfahrzeuge Die.Erfindung bezieht sich auf eine
Antriebswelle für Kraftfahrzeuge, die in spannungsfreiem Zustand gerade ist und
zur Drehmomentübertragung in nicht gerader Lage durch Spannungen gehalten wird,
die sich durch außerhalb einer Geraden liegende Abstützungen an beiden Enden der
Welle ergeben.
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Die übertragung einer Kraft von der Antriebsmaschine zu den Lastwellen
durch Drehbewegung ist dann schwierig, wenn sie nicht in einer geraden Linie von
der Antriebsmaschine ausgehend erfolgen kann. Dieser Fall ergibt sich besonders
bei Kraftfahrzeugen, bei denen die Antriebsmaschine in der Nähe des Vorderendes
des Fahrzeugs und die Antriebsräder am rückwärtigen Ende des Fahrzeugs liegen. Die
Antriebswelle zwischen der Antriebsmaschine und dem rückwärtigen Fahrzeugende muß
ziemlich tief liegen, besonders unterhalb des Fahrgastabteils. Diese Höhe ist häufig
bedeutend niedriger als die der Kurbelwelle der Antriebsmaschine und der Eingangswelle
des Differentialgetriebes. Um die Verwendung von einem oder mehreren Universalgelenken
zu vermeiden, die teuer sind, Wartung erfordern und Schwingungsprobleme zeitigen,
sind nicht geradlinige Antriebswellen bekannt. Diese sind unterVerwendungvonSchraubenfedern
oder von biegsamen Wellen, die schraubenfederförmig bzw. seilförmig gewickelt sind,
gebildet. Diese Bauarten ergeben jedoch eine schlechte Drehmomentübertragung, abgesehen
davon, daß sie teuer und wegen der verwendeten Federn auch störanfällig sind sowie
im Verhältnis zu ihrem Querschnitt und Materialaufwand nur ein geringes Drehmoment
übertragen können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten, nicht geradlinigen
Antriebswellen zu beseitigen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die zwischen dem Fahrzeugantriebsmotor
und den Triebrädern das Drehmoment übertragende Welle als einteilige Metallstange
ausgebildet ist. Hierdurch wird eine billige und zuverlässige Bauart erreicht.
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Der Umfang der Erfindung ergibt sich aus den Ansprüchen. Für die Unteransprüche
wird nur im Zusammenhang mit dem Hauptanspruch Schutz begehrt.
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An Hand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise erläutert.
In den Zeichnungen zeigt Fig.l die Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebswelle
nach der Erfindung, Fig:2 eine Seitenansicht des in Fig.1 gezeigten Rahmens, Fig.
2 a eine schematische Seitenansicht, die die auf die Welle wirkenden Biegekräfte
veranschaulicht, Fig.3 einen Längsschnitt durch einen Teil der Welle und die Abstützung
auf der Antriebsmaschinenseite, Fig.4 einen Längsschnitt durch einen Teil der Welle
sowie die Abstützung am rückwärtigen Fahrzeugende und Fig.5 bis 8 Seitenansichten
abgewandelter Bauformen.
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Das Kraftfahrzeug hat einen zusammengesetzten Rahmen 1, auf dessen
Vorderteil ein Antriebsmotor 2 gelagert ist (Fig.1). An der Rückseite des Antriebsmotors
2 ist ein Gehäuse 22 befestigt. Der Antriebsmotor 2 und das Gehäuse 22 werden von
zwei mit Querabstand voneinander liegenden Seitenpratzen 3 und einem rückwärts liegenden
Querträger 24 getragen. Am rückwärtigen Teil des Rahmens 1 liegt ein kombiniertes
Gangschalt- und Differentialgetriebe 4, das -von zwei mit Querabstand voneinander
liegenden Seitenpratzen 5 und einer rückwärtigen Pratze getragen wird. Mit den Ausgangwellen
des Differentialgetriebes 4 sind über Kugelgelenkkupplungen 7 Schwinghalbachsen
6 verbunden, die angetriebene Hinterräder 8 tragen. Jedes Rad 8 ist drehbar am Außenende
einer Hinterachsschubstange g gelagert, deren Innenenden über Gelenkverbindungen
10 bzw. 11 an das Gehäuse des Gangschalt und Differentialgetriebes 4 angeschlossen
sind.
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Der Antriebsmotor 2 hat eine Kurbelwelle 26, die nach rückwärts und
unten gerichtet ist und am rückwärtigen Ende einen radialen Flansch 28 (Fig.
3) trägt. Eine Wellenkupplung 30 hat einen radialen
Flansch
32, der durch Schrauben 34 reit dexn Flansch 28 verbunden ist. Die Wellenkupplung
30 hat eine zentrale Bohrung, die im vorderen Teil eine Kerbverzahnung aufweist
und im rückwärtigen Teil nach vorn verjüngt ausgebildet ist. -- Eine feste, einteilige
Antriebswelle 20 -aus Metallerstreckt sich vom Antriebsmotor 2 zum Gangschalt-und
Differentialgetriebe 4. Am vorderen Ende hat sie einen Gewindezapfen 42, einen kerbverzahnten
Teil 36 und einen verjüngten Teil 38. Das vordere Ende der Antriebswelle 20 ist
in die Wellenkupplung 30 eingeführt und durch die Kerbverzahnung 36 an einer Relativdrehung
gegen die Wellenkupplung 30 gehindert. Auf den Gewindezapfen 42 wird eine Mutter
40 aufgeschraubt, bis der verjüngte Teil 38 fest gegen den verjüngten Teil der Bohrung
der Wellenkupplung angezogen ist, so daß axiale Relativbewegungen zwischen der Welle
und der Wellenkupplung verhindert sind.
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Das Gangschah- und Differentialgetriebe 4 hat eine hohle Eingangswelle
44, die im Getriebegehäuse drehbar gelagert sowie nach vorn und unten gerichtet
ist (Fig. 4). Das rückwärtige Ende der Antriebswelle 20 trägt eine Kerbverzahnung
46, die mit einer Kerbverzahnung in der Innenwand der Eingangswelle 44 zusammenpaßt,
so daß eine Relativdrehung zwischen der Antriebswelle 20 und der Eingangswelle 44
verhindert ist. Die Kerbverzahnung gestattet jedoch eine axiale Relativbewegung,
der beiden Wellen zueinander. Die Antriebswelle 20 hat hierzu einen Teil
größeren Durchmessers, der in der Hohlwelle 44 gleitend geführt ist. -Die Antriebswelle
20 ist vor dem Zusammenbau gerade und spannungsfrei. Die Kurbelwelle 26 und die
Eingangswelle 44 liegen zwar in der Draufsicht (Fig. 1) in einer Geraden, jedoch
nicht in der Seitenansicht (Fig. 2). Daher wird die Antriebswelle 20 beim Einbau
gekrümmt und erhält Spannungen, wobei die Wellenkupplung 30 und die Eingangswelle
44 Biegemomente aus den Kräftepaaren P-P bzw. P'-P' (Fig. 2 a) auf jedes Ende der
Antriebswelle 20 ausüben, die diese gekrümmt halten. Die Kräftepaare P-P und P'-P'
liegen in der gleichen Ebene, da die Wellen 26 und 44 in Draufsicht in einer Geraden
liegen. Die Achsen der Wellenkupplung 30 und der Eingangswelle 44 bilden Tangenten
eines in der Ebene der Biegemomente liegenden gemeinsamen Kreises, so daß die Biegemomente
an jedem Ende der Antriebswelle 20 einander gleich sind.
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Die Biegespannungen jedes Flächenteils der Antriebswelle mit Ausnahme
der in der Achse der Welle liegenden Teile pendeln während einer Umdrehung der Welle
von einer maximalen Zugspannung über Null zu einer maximalen Druckspannung, um über
Null wieder zur maximalen Zugspannung anzuwachsen.
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Die durch die Kräftepaare P-P und P'-P' bedingten Biegemomente können
aus dem Zentriwinkel 0 des von der durchgebogenen Welle gebildeten Bogens über die
Gleichung,
errechnet werden, in der E der Elastizitätsmodul des Wellenwerkstoffes, T das Trägheitsmoment
des Wellenquerschnitts und L die Länge der Welle ist. Diese Gleichung ist nur genau,
wenn die Welle nach einem reinen Kreisbogen durchgebogen ist. - Sind die Biegemomente
an den Wellenenden nicht einander gleich, was der Fall ist, wenn die Momente an
Teilen der Welle einwirken, die nicht .tangential an einem gemeinsamen Kreis liegen,
so müssen die Biegemomente in bekannter Weise analytisch ermittelt werden.
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Die maximale Spannung S infolge des Biegemoments , kann _ durch die
Gleichung
ermittelt werden, in der c der Radius der Welle ist.
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Überträgt die Antriebswelle 20 Drehmoment von der Antriebsmaschine
zu den Lastwellen, so kann die maximale Schubspannung Maxs in der runden Welle aus
der Gleichung Maxs
errechnet werden, in der T das übertragene Drehmoment ist. Beträgt z. B. der Zentriwinkel
0 7°, die Länge L der Welle etwa 182 cm, der Elastizitätsmodul E 2111628 kg/cm2
und der Radius c der Welle 0,95 cm, so sind die Biegemomente M an jedem Wellenende
1696 kgcm, die maximale BiegespannungS 1336 kg/cm2, und wenn durch die Welle ein
Drehmoment T von 4830 kg/cm übertragen wird, ergibt sich eine maximale Schubspannung
von 3565 kg/cm2.
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Die maximale Schubspannung Maxs ist bei konstanter maximaler Drehmomentübertragung
konstant und ändert sich daher nicht durch das Umlaufen der Welle. Dagegen ändern
sich die Biegespannungen von einem positiven Maximum (Zugspannung) zu einem negativen
Maximum (Druckspannung). Diese Spannungen addieren sich nicht arithmetisch, weil
die maximale Schubspannung in einem Winkel zu den Biegespannungen liegt, jedoch
kann die Gesamtspannung in bekannter Weise rechnerisch oder graphisch ermittelt
werden. Die Vereinigung der maximalen Schubspannung mit den veränderlichen Biegespannungen
ergibt in dem angeführten Beispiel eine maximale Spannung von 4289 kg/cm2 und eine
minimale Spannung von 2953 kg/cm2. Dies bedeutet eine mittlere Spannung von 3621
kg/cm2.
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Wenn die auf die Welle ausgeübten Biegemomente in einer gemeinsamen
Ebene tangential zu einem gemeinsamen Kreis liegen, entsteht über die ganze Länge
der Welle ein gleichmäßige maximale Biegespannung. Es kann daher eine Welle gleichmäßigen
Durchmessers gewählt werden, um unter bestmöglicher Ausnutzung des Werkstoffes die
Spannungen sicher aufzunehmen.
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Liegen die auf die Enden der Welle wirkenden Kräftepaare P-P und P'-P'
nicht in einer Geraden und sind daher nicht einander gleich, wie dies z. B. der
Fall ist, wenn die Achse der Kurbelwelle 26 und die Achse der Eingangswelle 44 nicht
in einer gemeinsamen Ebene liegen, so ergeben sich an einigen Stellen längs der
Welle größere Biegespannungen als an anderen Stellen. Liegt die Angriffsrichtung
der Momente nicht normal zu Tangenten eines gemeinsamen Kreises, so ändern sich
die Biegespannungen über die ganze Länge der Welle, auch wenn die Momente in einer
gemeinsamen Ebene liegen.
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Im Verhältnis zum Fahrzeug kann die Krümmung der Welle-in-einer Ebene
liegen, die einen Winkel zur senkrechten - oder waagerechten Ebene des Fahrzeugs
bildet, so daß die Welle sowohl in der Draufsieht als in der Seitenansicht gekrümmt
erscheint.
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Die tatsächlichen maximalen Biegespannungen und die sich ergebenden
maximalen und minimalen zusammengesetzten Spannungen bei einer anders als nach einem
Kreisbogen gekrümmten Welle können in bekannter Weise errechnet werden. Solange
die errechnetenWerte unterhalb der Sicherheitsspannungen
des jeweiligen
Wellenwerkstoffes bleiben, wird die Welle für unbegrenzte Zeit sicher und einwandfrei
laufen.
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Es kann mathematisch nachgewiesen werden, daß die kritische Drehzahl
einer verspannten Welle wesentlich höher liegt als die einer spannungsfreien Welle.
Bei einer gekrümmten und gespannten Welle ist die für. eine Resonanzschwingung maßgebliche
Steifigkeit nicht der eines Balkens gleichzusetzen, sondern ähnelt mehr der eines
Bogens, der in der Ebene des Bogens steifer ist als in einer zum Bogen senkrechten
Ebene. Diese erhöhte Steifigkeit der Welle infolge der Wirkung des Bogens ergibt
eine wesentlich höhere kritische Drehzahl als für eine gerade Welle, die als Balken
kreisförmigen Querschnitts anzusehen ist, der in allen Ebenen die gleiche Steifigkeit
hat. Diese größere Steifigkeit, wenn auch nur in einer Ebene, hat die Wirkung, daß
die Welle unausgeglichenen Fliehkräften besser widersteht, die eine gerade, nicht
vorgespannte Welle zum Ausbiegen oder Schwingen bringen. Es wird bei einem halben
Umlauf der Welle jede unausgeglichene Kraft, da der Schwerpunkt der Welle nicht
in der Drehachse liegt, durch die erhöhte Steifigkeit der Welle ausgeglichen, wenn
die Kraft die Fläche der maximalen Biegespannung durchläuft. Da die Welle in bezug
auf die Steifigkeit bzw. Widerstandskraft gegen Ausbiegungen und kritische Drehzahl
nicht die üblichen Eigenschaften einer geraden Welle hat, ist sie in dieser Beziehung
einer geraden Welle überlegen.
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Die Erhöhung der kritischen Drehzahl oder der Eigenschwingungszahl
der gekrümmten, vorgespannten Welle gegenüber einer spannungsfreien Welle ist wichtig,
da dies den Entwurf einer Welle für maximale Schubspannung mit kleinem Wellendurchmesser
gestattet an Stelle einer Welle großer Steifigkeit mit großem Wellendurchmesser,
die ein weit größeres Drehmoment übertragen könnte, als gefordert wird.
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Die Erfindung kann bei Anlagen angewendet werden, bei denen das eine
Wellenende relativ zum anderen Wellenende beweglich ist. In diesem Falle werden
sich die Biegespannungen beträchtlich ändern. Solange indessen die errechneten maximalen
und minimalen Spannungen im Vergleich zu der maximalen Spannung unterhalb der Dauerfestigkeitsgrenze
des verwendeten Werkstoffs liegen, ist der Entwurf in Ordnung.
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Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Bauart, bei der das Wechselgetriebe
Tr am Vorderende der Antriebswelle 20 liegt, die unmittelbar mit der Eingangswelle
des Differentialgetriebes D verbunden ist. Das Drehmoment und damit die Schubspannungen
in der Welle sind in diesem Falle größer als die der Bauart nach Fig. 1 bis 4. Dies
kommt daher, weil das Motordrehmoment durch die maximale Drehmomentverstärkung des
Wechselgetriebes vergrößert wird. Ist das Motordrehmoment genügend klein, so daß
trotz der Verstärkung durch das Wechselgetriebe die sich ergebende Schubspannung
eine genügend kleine kombinierte Spannung zeitigt, so kann diese Anordnung gewählt
werden.
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Fig. 6 zeigt eine andere abgewandelte Bauform der Erfindung. Hier
liegt die Drehachse der Antriebsmaschine En in der gleichen Ebene wie die
Achse des Getriebes Tr, jedoch nicht in einer Geraden, sondern parallel zu dieser.
Die biegenden Momente wirken nicht auf Tangenten eines gemeinsamen Kreises, sondern
auf Tangenten zweier Kreise, die die Radien R1 bzw. R2 haben. Bei genauer Ausrichtung
der Angriffspunkte der Momente können die beiden Radien gleich groß gewählt werden.
In diesem Falle sind wegen der doppelten Krümmung die Radien beträchtlich kleiner
als bei der Anlage gemäß Fig. 1 bis 4. Ein kleinerer Krümmungsradius erfordert größere
Biegungsmomente, die größere Biegespannungen ergeben. Diese Spannungen können für
jeden Fall errechnet werden, und die sich ergebende maximale Spannung kann über
der Mittelspannung in einem Goodman-Diagramm eingetragen werden, um zu prüfen, daß
sie innerhalb der Sicherheitsgrenzen liegt.
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Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Biegemomente
der Welle 20 von einem starren, gekrümmten Rohrgehäuse 50 erteilt werden,
das, an der Antriebsmaschine En befestigt, die Welle 20 umgibt. Zwischen
der Welle 20 und dem Getriebe Tr ist ein Universalgelenk U angeordnet. Das Getriebe
kann sich drehen oder relativ zum Ende der Welle 20 bewegen, die in ihrer
gekrümmten, vorgespannten Lage bleibt, die durch die zu ihr festen Kraft der Biegemomente
bestimmt ist.
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Fig. 8 zeigt eine weitere Bauform, bei der das Getriebe Tr an der
Vorderseite der Welle 20 angeordnet ist, die über ein Universalgelenk U mit dem
Differential D verbunden ist. Die Antriebsmaschine En
und ein Hinterachsenträger
52 sind beide am Rahmen 1 befestigt, der somit die Biegemomente auf die Welle
20 ausübt.
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An Stelle eines getrennten Rahmens 1 kann auch ein mit dem Fahrzeugkörper
einen Teil bildender Rahmen verwendet werden.