DE19908604A1

DE19908604A1 - Kraftfahrzeug - Fahrantriebswelle

Info

Publication number: DE19908604A1
Application number: DE19908604A
Authority: DE
Inventors: Franz Kosik; Guenter Woerner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1999-02-27
Filing date: 1999-02-27
Publication date: 1999-12-30

Abstract

Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Biegeschwingungs-Resonanzfrequenz erster Ordnung bei einer biegekritischen Drehzahl liegt, die wesentlich niedriger ist als ihre anwendungsbestimmte maximale Betriebsdrehzahl.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle dieser Art ist aus der DE-A 40 25 958 bekannt. Sie offenbart eine Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff, welche gewickelte Faserlagen enthält und parabolisch bombiert ist. Der Wickelwinkel zwischen den Fasern und der Längsachse der Hohlwelle beträgt etwa 12° bis etwa 45°. Gemäß der Schrift soll durch diese Maßnahmen die "kritische Drehzahl" der Hohlwelle erhöht werden. Als Fasermaterial werden strangförmige oder bandförmige Gebilde aus natürlichen und/oder synthetischen organischen Fasern, z. B. aus Aramid, Polyamid, Polyester, und anorganische Fasern, z. B. Glasfasern und Kohlefasern vorgeschlagen. Der Kunststoff kann durch Strahlung oder Temperaturerhöhung härtbarer Kunststoff oder thermoplastischer Kunststoff sein, z. B. Kunstharze, die durch freie Radikale vernetzt werden können, z. B. ungesättigte Polyesterharze, Vinylharze, modifizierte Epoxyharze, modifizierte Polyurethanharze oder Mischungen dieser Harze. Als geeignete thermoplastische Kunststoffe sind beispielsweise Olefinpolymerisate angegeben.

Aus der DE-C-36 08 754 ist eine Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, welche einen rohrförmigen Wellenteil und an diesem endseitig angeformte, radial nach innen überstehende Stirnflansche aufweist. In den Stirnflanschen sind Öffnungen. Der Wellenteil und die Stirnflansche enthalten durchgehend schraubenförmig gewickelte Faserlagen und die Öffnungen sind umwickelt durch Faserstränge, welche in den Kunststoff der Stirnflansche eingeformt sind. Durch die Vermeidung von Stirnflanschen aus Metall wird das Gewicht reduziert und die "biegekritische Drehzahl" der Hohlwelle erhöht. Die verwendeten Faserstränge können aus Fasern oder Filamenten bestehende Stränge und/oder gewebte Bänder sein, wobei als Fasern insbesondere Glasfasern und/oder Kohlefasern verwendet werden.

Aus der DE-A-31 39 247 ist eine Kraftfahrzeug- Fahrantriebswelle, insbesondere eine Hohlwelle bekannt, welche mindestens die folgenden drei Schichten aus Faserverstärkungsmaterial enthält, welches in eine Harzmasse eingebettet ist: eine Schicht aus hochfesten Kohlenstoffasern, die in einem Winkel von ± 40° bis ± 50° relativ zur Längsachse der Fahrantriebswelle angeordnet sind; eine Schicht aus Glasfasern, die in einem Winkel von 0° bis ± 15° relativ zu der Längsachse angeordnet sind; und eine Schicht aus Glasfasern, die in einem Winkel von ± 75° bis 90° relativ zu der Längsachse angeordnet sind. Die Fahrantriebswelle kann einen Wellenteil aufweisen, welcher in der genannten Weise ausgebildet ist und an seinen beiden Enden je mit einer Endhülse aus hochfesten Kohlenstoffasern versehen ist, die in einem Winkel von ± 75° bis 90° relativ zu der Längsachse der Fahrantriebswelle ausgerichtet sind. Damit soll erreicht werden, daß die Fahrantriebswelle ein leichteres Gewicht hat, geräuscharmer ist und eine "kritische Drehzahl" von über 6000 U/min erreicht wird, was einer Frequenz von 100 Hz entspricht (6000 : 60=100). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform soll der Young- Elastizitätsmodul in Längsrichtung für die gesamte Fahrantriebswelle etwa 1,65 × 10⁴ N/mm² (2,4 × 10⁶ psi) betragen. Die Fasern können Einzelfäden sein oder aus einer Vielzahl von Einzelfäden bestehende Multifilament-Bündel.

Das Ziel von allen bekannten Ausführungsformen ist somit, die "biegekritische Drehzahl" der Fahrantriebswelle soweit wie möglich in einen hohen Drehzahlbereich zu legen, welcher höher ist als die in der praktischen Verwendung der Fahrantriebswelle maximal zu erwartende Betriebsdrehzahl. Die "biegekritische Drehzahl" ist die Drehzahl, bei welcher die Fahrantriebswelle ihre "eigenkritische Frequenz" hat, welche auch als "Resonanzfrequenz" bezeichnet werden kann. Bei dieser "biegekritischen Drehzahl" erzeugt die Fahrantriebswelle Biegeschwingungen (Schwingungen quer zu ihrer Längsachse) mit einer Frequenz, welches ihre "biegekritische Frequenz" oder Eigenfrequenz ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Möglichkeit zu schaffen, durch welche die Kraftfahrzeug- Fahrantriebswelle bezüglich ihres Gewichtes reduziert und die Materialkosten sowie Herstellkosten ebenfalls reduziert werden können. Gleichzeitig soll die Aufgabe gelöst werden, eine Möglichkeit zu schaffen, die Eigenschaften der Fahrantriebswelle einfacher an Kriterien eines Fahrantriebstranges anpassen zu können, insbesondere auch dann, wenn der Betriebsbereich der Fahrantriebswelle hohe Drehzahlen beinhaltet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die Biegeschwingungs-Resonanzfrequenz erster Ordnung der Kraftfahrzeug-Antriebswelle in den Bereich einer kritischen Drehzahl gelegt wird, die wesentlich niedriger ist als die durch den Anwendungszweck der Fahrantriebswelle bestimmte maximale Betriebsdrehzahl.

Gemäß der Erfindung wird im Gegensatz zum Stand der Technik die Fahrantriebswelle derart ausgebildet, daß ihre Resonanzfrequenz und damit ihre "biegekritische Drehzahl" nicht über, sondern unter ihrer anwendungsbestimmten maximalen Betriebsdrehzahl liegt. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß gemäß der Erfindung die Fahrantriebswelle derart ausgebildet ist, daß ihre Eigenfrequenz und damit ihre biegekritische Drehzahl innerhalb des maximalen Geschwindigkeitsbereiches des betreffenden Kraftfahrzeuges liegt, und zwar in einem Geschwindigkeitsbereich, in welchem die Biegeschwingungs-Resonanzfrequenz der Fahrantriebswelle sich weder für den Fahrantriebsstrang noch für Insassen des Fahrzeuges, z. B. deren Fahrkomfort, nachteilig auswirkt.

Die maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit ist bei jedem Kraftfahrzeug anders und wird normalerweise in dem höchsten Fahr-Gang des Kraftfahrzeuges erreicht. Die Fahrantriebswelle ist derart ausgebildet, daß ihre biegekritische Drehzahl bzw. Resonanzfrequenz auf die spezifischen Eigenschaften des betreffenden Fahrzeuges abgestimmt ist, damit sich ihre Biegeschwingungen weder für den Fahrantriebsstrang noch für Fahrzeuginsassen nachteilig auswirken.

Da aus Metall bestehende Fahrantriebswellen wesentlich schneller bei Resonanzfrequenz brechen als faserverstärkte Kunststoffwellen, besteht die Fahrantriebswelle vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff und ist auch vorzugsweise eine Hohlwelle. Es können die gleichen Fasern in Form von Einzelfasern, Fäden, Fasersträngen und Faserbändern verwendet werden, eingebettet in Kunststoff, wie bei dem Stand der Technik, wobei auch der gleiche Kunststoff verwendet werden kann.

Um die Resonanzfrequenz herunterzusetzen, muß im Gegensatz zum genannten Stand der Technik der Wickelwinkel der Fasern möglichst steil sein, also möglichst gegen 90° relativ zur Wellenlängsachse gehen. Vorzugsweise hat die Fahrantriebswelle insgesamt einen niedrigen E-Modul. Je biegesteifer die Fahrantriebswelle ist, desto höher ist ihre biegekritische Drehzahl oder Resonanzfrequenz, weshalb gemäß der Erfindung die Fahrantriebswelle biegeflexibler ausgebildet ist als beim Stand der Technik. Vorzugsweise werden mindestens überwiegend, wenn nicht ausschließlich, Glasfasern anstelle von Kohlefasern verwendet, da Glasfasern einen kleineren E-Modul (Elastizitätsmodul) haben.

Vorzugsweise sind die Fasern nicht unter 90° zur Wellenlängsachse angeordnet, weil hierbei kein Drehmoment mehr übertragen wird, sondern zwischen 75° und 85°. Zusätzlich oder alternativ können jedoch auch Fasern unter einem Winkel zwischen 40° und 50° zur Wellenlängsachse angeordnet sein. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung sind in einer radial äußeren Lage Fasern unter einem Winkel von 0° zur Wellenlängsachse und damit parallel zu dieser angeordnet.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Welle in axialer Mitte mit einer zusätzlichen Masse versehen, durch welche die Resonanzfrequenz in einen niedrigeren Bereich herabgesetzt wird.

Die Fahrantriebswelle kann nur aus einem Wellenkörper bestehen oder an beiden Wellenenden mit ihr fest, d. h. unlösbar verbundenen Anschlußmitteln in Form von beispielsweise einem Flansch oder einem Gelenkteil versehen sein. Der Wellenkörper und seine Anschlußmittel bestehen vorzugsweise alle aus einem einzigen Materialkörper aus faserverstärkten Kunststoff.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß die Übertragung von Schwingungen auf die Antriebsachse, insbesondere die Hinterachse, eines Kraftfahrzeuges reduziert wird, daß die Fahrantriebswelle einteilig und mit reduziertem Gewicht ausgebildet werden kann, daß keine zusätzlichen Dämpfungselemente benötigt werden, und daß sie ohne Verwendung von teuren Hochmodul-Fasern hergestellt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen je schematisch

Fig. 1 einen Kraftfahrzeug-Antriebstrang mit einer Fahrantriebswelle nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Fahrantriebswelle von Fig. 1,

Fig. 3 die Fahrantriebswelle von Fig. 2 mit schematisch dargestellten Fasern,

Fig. 4 einen Wellenkörper einer Fahrantriebswelle nach der Erfindung mit einer Zusatzmasse in axialer Mitte,

Fig. 5 einen Wellenkörper nach der Erfindung mit zur axialen Mitte hin konkav reduziertem Außendurchmesser,

Fig. 6 einen Axialschnitt eines Wellenkörpers nach der Erfindung mit zur axialen Mitte hin konvex erweitertem Innendurchmesser und über die axiale Länge gleichbleibendem Außendurchmesser.

Im Rahmen der Erfindung können "Fasern" einzelne Fasern, aus mehreren Fasern bestehende Fäden oder Stränge, aus Fasern oder aus Fäden gebildete Bänder sein. Diese können ein Netz bilden.

Fasern und Kunststoffe, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, insbesondere aus der eingangs genannten Literatur, sind auch im Rahmen der Erfindung verwendbar und werden deshalb hier nicht nochmals beschrieben. Während bei dem genannten Stand der Technik zur Erzielung einer hohen Resonanzfrequenz überwiegend flache Wickelwinkel, d. h. gegen 0° gehende Wickelwinkel, bevorzugt werden, werden gemäß der Erfindung zur Erzielung einer niedrigen Resonanzfrequenz überwiegend steile Wickelwinkel , also gegen 90° zur Wellenlängsachse gehende Wickelwinkel, bevorzugt angewendet.

Fig. 1 zeigt eine Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle 2, welche an ihren Enden über mit ihr einstückig gebildete Anschlußmittel 4 und 6 mit der Abtriebswelle 8 eines Getriebes 10, welches eine variable Übersetzung hat, und mit einem Verteiler-Getriebe 12, insbesondere einem Differentialgetriebe, zum Antrieb von hinteren (oder vorderen) Fahrzeug-Rädern 14 antriebsmäßig verbunden ist. Eine Eingangswelle 16 des Getriebes 10 ist über eine, vorzugsweise schaltbare, Kupplung 18 mit einem Fahrzeug- Antriebsmotor 20 antriebsmäßig verbunden.

Die Anschlußmittel 4 und 6 können von beliebiger Art sein, beispielsweise die Form eines Flansches haben, wie dies in Fig. 2 für das Anschlußmittel 4 dargestellt ist, oder die Form eines Gelenkteiles haben, wie dies in Fig. 2 für das Anschlußmittel 6 dargestellt ist. Die Anschlußmittel 4 und 6 können an beiden Enden des Wellenkörpers 2 gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Die Anschlußmittel 4 und 6 und der Wellenkörper 2 bestehen vorzugsweise insgesamt aus einem einstückigen Kunststoffkörper, welcher durch Fasern verstärkt ist, die in den Kunststoff eingebettet sind.

Die Fasern haben eine wesentlich größere Länge als Dicke und können aus einer Vielzahl von hintereinander angeordneten kurzen Fasern bestehen, oder aus endlos langen Fasern oder Fäden, Strängen oder Bänder, die aus einer oder mehreren Fasern gebildet sind.

Wie die Seitenansicht von Fig. 3 zeigt, enthält die Fahrantriebswelle in einer radial weiter innen gelegenen Schicht unter einem Winkel α schräg zur Wellenlängsachse 26 angeordnete Fasern 22 und in einer relativ dazu weiter außen gelegenen Schicht parallel, d. h. unter einem Winkel von 0°, relativ zur Wellenlängsachse 26 angeordnete Fasern 24. Der Winkel α ist zur Erzeugung einer möglichst niedrig liegenden biegekritischen Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz verhältnismäßig groß, d. h. er geht gegen 90°. Der Winkel α ist jedoch vorzugsweise etwas kleiner als 90°, damit auch Drehmoment von einem Wellenende zum anderen Wellenende von den Fasern 22 übertragen werden kann. Vorzugsweise sind die Fasern 22 nicht nur in der einen Richtung, sondern auch in der anderen Richtung unter einem Winkel α angeordnet, wie dies durch die Fasern 28 in Fig. 3 schematisch angedeutet ist. Die schrägen Fasern 22 und 28 können zusammen ein Gewebe bilden. Der Winkel α ist vorzugsweise im Bereich zwischen 75° und 85°. Jedoch sind auch andere Winkel möglich, beispielsweise Winkel zwischen 40° und 50°. Auch können mehrere verschiedene Faserlagen vorgesehen sein, deren Fasern unter verschiedenen Winkeln schräg zur Wellenlängsachse 26 angeordnet sind. Insgesamt müssen die Fasern so angeordnet sein, daß die Resonanzfrequenz der Welle unter ihrer anwendungsbestimmten maximalen Betriebsdrehzahl liegt.

Weitere Möglichkeiten, die Resonanzfrequenz bzw. biegekritische Eigenfrequenz der Fahrantriebswelle niedriger zu machen als ihre anwendungsbestimmte maximale Betriebsdrehzahl, sind in den Fig. 4, 5, und 6 dargestellt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist in axialer Mitte des Wellenkörpers 2 eine Zusatzmasse 30 angeordnet, um die Resonanzfrequenz des Wellenkörpers 2 zusammen mit seinen gegebenenfalls vorhandenen Anschlußmitteln 4 und 6 in einen soweit wie möglich niedrigen Frequenzbereich zu drücken.

Gemäß Fig. 5 kann der Außendurchmesser von den Enden zur axialen Mitte der Welle hin konkav kleiner werdend ausgebildet sein. Der Innendurchmesser kann entsprechend Fig. 5 über die gesamte Länge konstant sein oder gemäß Fig. 6 von den axialen Enden zur axialen Mitte hin konvex größer werdend ausgebildet sein. Der Außendurchmesser kann gemäß Fig. 6 zylindrisch ausgebildet sein.

Die mit Bezug auf die Fig. 1 bis 6 beschriebenen Merkmale können miteinander beliebig kombiniert werden. Die Fahrantriebswelle kann mit oder ohne die Anschlußmittel 4 und 6 ausgebildet sein.

Ziel der Erfindung ist es, die biegekritische Eigenfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz der Welle so tief wie möglich nach unten zu verschieben, in jedem Falle aber mindestens bis in den anwendungsbestimmten Drehzahlbereich der Fahrantriebswelle. Deshalb liegt gemäß der Erfindung die Biegeschwingungs-Resonanzfrequenz erster Ordnung der Fahrantriebswelle vorzugsweise bei maximal 75% der anwendungsbestimmten maximalen Betriebsdrehzahl, vorzugsweise bei maximal 50%, besser bei maximal 25% oder lediglich bei maximal 10%. Je niedriger desto besser. Bezogen auf die heutigen Personenkraftwagen ist die Fahrantriebswelle vorzugsweise derart ausgebildet, daß ihre biegekritische Frequenz bzw. Resonanzfrequenz erster Ordnung bei maximal 2400 U/min, entsprechend 40 Hz, liegt, weiter vorzugsweise bei 1200 U/min, entsprechend 20 Hz, und noch bevorzugter 600 U/min, entsprechend 10 Hz, oder in den Bereichen dazwischen. Diese Werte sind auf den Fahrantriebstrang des Kraftfahrzeuges derart abgestimmt, daß beim Durchfahren der biegekritischen Frequenz bzw. Resonanzfrequenz erster Ordnung im Fahrantriebstrang und auch im Fahrgastraum des betreffenden Fahrzeuges keine störenden Schwingungen auftreten.

Claims

l. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Biegeschwingungs-Resonanzfrequenz erster Ordnung bei einer biegekritischen Drehzahl liegt, die wesentlich niedriger ist als ihre anwendungsbestimmte maximale Betriebsdrehzahl.
2. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die biegekritische Drehzahl maximal im Bereich zwischen 50% und 75% der maximalen Betriebsdrehzahl liegt.
3. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die biegekritische Drehzahl maximal im Bereich zwischen 25% und 50% der maximalen Betriebsdrehzahl liegt.
4. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die biegekritische Drehzahl maximal im Bereich zwischen 10% und 25% der maximalen Betriebsdrehzahl liegt.
5. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre biegekritische Drehzahl maximal in einem Bereich zwischen 2400 U/min und 3000 U/min entsprechend einer Biegeschwingungs- Resonanzfrequenz zwischen 40 Hz und 50 Hz liegt.
6. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre biegekritische Drehzahl maximal in einem Bereich zwischen 1200 U/min und 2400 U/min entsprechend einer Biegeschwingungs- Resonanzfrequenz zwischen 20 Hz und 40 Hz liegt.
7. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre biegekritische Drehzahl maximal in einem Bereich zwischen 600 U/min und 1200 U/min entsprechend einer Biegeschwingungs- Resonanzfrequenz zwischen 10 Hz und 20 Hz liegt.
8. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Hohlwelle ist.
9. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ihr Wellenkörper aus mit Fasern verstärktem Kunststoff besteht.
10. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Bereich der axialen Mitte eine größere Masse aufweist als in ihren beidseitig davon gelegenen Wellenabschnitten.
11. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Fasern unter einem Winkel im Bereich zwischen 75° und 85° zur Wellenmittelachse angeordnet sind.
12. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Fasern achsparallel zur Wellenlängsachse angeordnet sind.
13. Kraftfahrzeug-Fahrantriebswelle nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Fasern unter einem Winkel im Bereich von 40° bis 50° zur Wellentmittelachse angeordnet sind.