DE3318449A1

DE3318449A1 - Gelenkwelle, insbesondere fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3318449A1
Application number: DE3318449A
Authority: DE
Inventors: Michel Alexandre Dr. 78700 Conflans-Sainte-Honorine Orain
Original assignee: GLAENZER SPICER 78301 POISSY YVELINES FR; Glaenzer Spicer 78301 Poissy Yvelines; Glaenzer Spicer SA
Current assignee: GLAENZER SPICER 78301 POISSY YVELINES FR; Glaenzer Spicer 78301 Poissy Yvelines; Glaenzer Spicer SA
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1983-05-20
Publication date: 1983-12-08
Also published as: GB2122959B; JPS58214418A; IT8353379V0; FR2527718B1; US4518370A; IT1159009B; IT8367581A0; FR2527718A1; GB2122959A; GB8313627D0; DE3318449C2

Description

S0171.001 - Hn-sr rf

Gelenkvelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung betrifft eine Gelenkwelle,'insbesondere für Kraftfahrzeuge, welche mittels Gleichlaufgelenken sowohl mit einer Antriebs- als auch mit einer Abtriebswelle verbunden ist. ■

Die in Kraftfahrzeugen zur Kraftübertragung vom Triebwerk auf die Antriebsräder verwendeten Gelenkwellen sind üblicherweise mit Gleichlaufgelenken versehen. Gelenke .dieser Art weisen eine relativ leichte Verschiebbarkeit auf. Hierdurch werden die vom Triebwerk erzeugten Axialschwingungen abgekoppelt.

Bekannterweise können aber Gleichlaufgelenke, mit welchen Gelenkwellen von Kraftfahrzeugen ausgerüstet werden, die Übertragung von Radialschwingungen der Antriebswelle vom Triebwerk zam Rad und zum Fahrzeugaufbau verhindern. Die Ursache hierfir liegt darin begründet, daß alle diese mechani- · sehen Gelen <e radial starr ;;ind, und daß ein Ausfiltern der Radialschwingungen eine radiale Elastizität erfordert, welche mit der Übertragung eines größeren Drehmoments auf kleinem Raum nicht ^u vereinbaren wäre.

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In der DE-OS 29 05 453 wurde bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche aus zwei Gelenken mit relativ geringer Reibung sowie aus einem Stützlager für die Gelenkwelle besteht, wodurch eine wirkungsvolle dynamische Abkopplung der vom Triebwerk erzeugten Radialschwingungen bei allen Frequenzen bewirkt wird. Diese an sich überaus günstige Wirkung findet jedoch da ihre Grenzen, wo beispielsweise das Übertragen des Triebwerk-Drehmomentes auf die Vorderräder eines Kraftfahrzeuges über Seitenwellen erfolgt, weil der hierzu zur Verfügung stehende Bauraum zu klein ist.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gelenkwellen-Anordnung zu schaffen, die unter Beibehaltung der sich aus der DE-OS"29 05 453 ergebenden Vorteile auf einer vereinfachten baulich-konzeptionellen Konstruktion beruht und eine geringere Baugröße zuläßt, um letzlich einen leichten Einbau in alle Kraftfahrzeuge mit Vorderradantrieb zu gestatten.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen dadurch, daß die von der Gelenkwelle und den mit dieser Welle verbundenen Teile der Gleichlaufgelenke gebildete Baugruppe um eine senkrecht zur Gelenkwelle liegende und durch den Schwerpunkt (G) dieser Baugruppe führende Achse ein Massenträgheitsmoment Iq aufweist, welches zumindest annähernd durch die Gleichung Iq = m χ h χ 1 definiert ist, wobei m die Masse der Baugruppe und h bzw. J^ der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Gelenke und dem Schwerpunkt (G) ist.' ·

Weitere sinnvolle Ausgestaltungen dieses die vorliegende Erfindung tragenden Gedankens lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

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Aus der insoweit vorgeschlagenen Lösung ergeben sich mannigfache Vorteile:

Die Gelenkwellen-Anordnung baut relativ klein. Sie läßt sich demgemäß leicht in alle Kraftfahrzeuge mit Vorderradantrieb einbauen. Darüber hinaus läßt sich die Anordnung auch ohne jegliche Schwierigkeiten für Längs- und/oder Seitenwellen von Kraftfahrzeugen mit Hinterradantrieb verwenden.

Unter der Voraussetzung, daß zumindest ein Gleichlaufgelenk zwischen -seinem von der Gelenkwelle getragenen Teil und seinem von der entsprechenden Antriebs- bzw. Abtriebswelle getragenen Teil Zwischenelemen^e enthält, ist das Ausfiltern der Radialschwingungen der Antriebswelle besonders wirkungsvoll, wenn c'as Massenträgheitsmoment Iq der Hälfte desjenigen Momentes entspricht, welches diese Zwischenelemente in bezug auf die genannte Achse hätten, wenn sie an der Gelenkwelle befestigt wsren.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels'dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 eine in einem Kraftfahrzeug installierte Seitenwelle in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Seitenwelle nach Fig. 1 in i-.chematischer Darstellung,

Fig. 3 einen Teilschnitt einer Seitenwellen-Variante nach Fig. 2 in schematischer Darstellung,

Fig. 4 eino Detailansicht einer Seitenwelle entsprechend Fig. 1 bis 3, jedoch in vergrößertem Maßstab, und schließlich

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Fig. 5 ein teilweise im Vertikalschnitt dargestelltes Detail einer Seitenwelle.

In Fig. 1 ist ein Triebwerk 1 dargestellt, welches vom Fahrgestell 2 eines Fahrzeugs mit Frontantrieb über Gummipuffer 3 getragen wird. An jeder Seite des Triebwerks 1 ist eine Getriebeabtriebswelle 4 quer angeordnet, welche über ein GIe:chlaufgelenk 5 mit einer Gelenkwelle 6 verbunden ist. Dieise wiederum ist über ein Gleicrlaufgelenk 7 mit einem Achrszapfen 8 verbunden, welcher ein lenkbares Rad 9 antreibt. Der Achszapfen 8 dreht sich in eirem Achsschenkel 10, welcher übe:-· ein oberes und ein unters Kugelgelenk 11,. 12 am äußeren Endfj von zwei entsprechenden Querlenkern 1Ξ, 14 schwenkbar gelagert ist, deren inneres Ende seine gelenkige Befestigung am fahrgestell 2 hat. Zwischen dem oberen Querlenker 13 und dem Fahrgestell 2 ist- eine Aufhänge- und Federungsvorrichtung 15 eingebaut. Das Gelenk 5 ist ali; Verschiebe- bzw. TeIeskoD-Gelenk ausgebildet, während das Gelenk 7 ein Fest-Gelenk ist, d.h. ein Gelenk mit axialer Sicherung und großem Beugewin <el.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann das Gelenl· 5 beispielsweise ein Tripode-Verschietregelenk, welches aus einer Tripode 16 und einer Tulpe 17 besteht, und das Gelenk 7 ein Rzeppagelenk sein, welches aus einer Innennabe 18 und einer Aussennabe 19, einer Vielzahl umfangsverteilter, von in einem KSfig gehaltener Kugeln 20 sowie einer Glocke 21 besteht.

Im Beispiel von Fig. 2 besteht die Welle 6 aus einem Rohr 22, welches an jedem Ende mit einem Anschluß 2? mit Y-förmigem Querschnitt versehen ist. Dieser Anschluß besteht aus einer Schale 24, an deren Boden ein Profilwellen::apfen 25 hervorragt. Der Rand der Schale 24, an deren Bod<m ein Profilwel-

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lenzapfen 25 hervorragt. Der Rand der Schale 2¹I ist am entsprechenden Ende des Rohres 22 befestigt.

Die Tripode 16 nach Fig. 3 besteht aus einer Nabe 26, von welcher drei Zapfen 27 im Winkelabstand von 120° zueinander radial ausgehen. Auf jedem dieser. Zapfen dreht und gleitet über ein Nadellager 29 eine außen kugelförmig-ballig ausgebildete Rolle 28. Die Tulpe 17 besteht aus einem an der Welle befestigten Schaft 30 und drei axial ausgerichteten Blättern 31. Zwischen den Tulpenblättern 31 sind drei Rollbahn-Paare 32 ausgespart, wobei jede Rolle 28 in einem dieser Rollbahnpaare aufgenommen ist. Die Nabe 26 weist innen ein Profil auf, welches der Zuzsammenarbeit mit dem entsprechenden Wellenzapfen 25 dient. Sie wird axial durch (nicht dargestellte) Seeger-Ringe auf diesem Wellenzapfen gesichert.

Die Innennate 18 des Gelenks 7 weist in ihrem Inneren ferner auch ein Prcfil auf und wird axial auf dem anderen Wellenzapfen 25. gesichert, während die Außennabe 19 mit der am Achszapfen 8 befestigten Glocke 21 fest verbunden ist.

Die Axialschwingungen (Fig. 1, Pfeil f) der Antriebswelle ¹J werden durch die relativ leichtgängige Verschiebbarkeit des Tripodegelenks 5 wirkungsvoll ausgefiltert. Sie übertragen sich deshalb nicht auf die Welle 6. Demhingegen werden bei konventionellen Anordnungen die vom Triebwerk 1 ausgehenden hochfrequenten Radialschwingungen (Fig. 1, Pfeil F) infolge der Masse und der Starrheit der Welle 6 vom Gleichlaufgelenk 5 zum radse-ltigen Gleichlauf gelenk 7 dynamisch übertragen, und gelangen über den Achszapfen 8, den Achsschenkel 10 und die Querlenker 13 und IH zum Fahrgestell 2. Ein Teil der Schwingungen kann außerdem über die (nicht dargestellte) Lenkung bis zum ebenfalls (nicht dargestellten) Lenkrad weitergelei^et werden.

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Die vorliegende Erfindung sieht demgegenüber Maßnahmen vor, welche verhindern, daß die Radialschwingungen den Achszapfen 8 erreichen. Diese Maßnahmen bestehen im einzelnen darin, daß die von der Welle 6 und den sie tragenden Teilen gebildete Baugruppe um eine senkrecht zur Welle 6 liegende und durch den Schwerpunkt G der Baugruppe führende Achse ein Massenträgheitsmoment Iq aufweist, welches der Gleichung

Iq = ro . h . 1

entspricht, wobei m die Masse dieser Baugruppe und h bzw. J_ den Abstand zwischen den Mittelpunkt A und B der Gelenke 4 und 7 und dem Schwerpunkt G darstellt.

Die zur Berechnung von Iq für die Masse m zu berücksichtigenden Teile sind zum einen das Rohr 22 und die Anschlüsse 23, zum anderen die Tripode 16 mit ihren Roller. 28, welche gegenüber der Welle 6 als feststehend betrachtet werden·, sowie schließlich die Innennabe 18 mit den im Käfig geführten Kugeln 20 des Rzeppa-Gelenks 7.

Für die Kugeln 20 und den Käfig des Rzeppa-Gelenks 7, welche sich in einem Winkel bewegen, welcher der Hälfte des Beugewinkels des Gelenks entspricht, kann für I_G die Hälfte des Massenträgheitsmoments, welches diese Teile haben würden, wenn sie gegenüber der Welle 6 feststehen würden, berücksichtigt werden.

In der Praxis werden die Werte von h_ und _1_ im allgemeinen als erste Approximation errechnet und anschließend auf dem Prüfstand genau ermittelt, indem die Tripode 15 und die Nabe 18 leicht verschoben werden, bis eine vollständige Abkopplung

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der Schwingungen am Gelenk 7 erreicht wird. Dies gibt die Lage der an den Wellenzapfen für die Seeger-Ringe vorzusehenden Nuten an, um die Tripode 16 und die Nabe 18 axial zu sichern.

Durch die oben schon erwähnte Gleichung werden nämlich die im Mittelpunkt eines der beiden Gelenke erzeugten Radialschwingungen im Mittelpunkt des anderen Gelenks unterdrückt. Somit erhält man eine dynamische Abkopplung der Radialschwingungen der Antriebswelle M am Festgelenk 7. Umgekehrt werden die radialen Stcßschwingungen des Rades, z.B. auf Straßenpflaster, nicht auf das Triebwerk übertragen.

Die Variante nach Fig. 3 unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform dadurch, daß das Rzeppa-Gelenk 7 durch ein axial feststehendes Tripodegelenk 7A ersetzt wird. Dieses Gelenk 7A besteht aus einer der Tripode 16 entsprechenden Tripode 18A mit auf Nadeln gelagerten Rollen und einer am Achszapfen 8 befestigten Glocke oder Tulpe 21A. Jede Rolle wird zwischen zwei Rollbahnen 33 mit bogenförmiger Mittelkurve der Glocke 21 aufgenommen. Die Nabe der Tripode 18A weist innen ein Profil auf und kann axial durch (nicht dargestellte) Seeger-Ringe auf dem entsprechenden Wellenzapfen 25 gesichert werden.

Die Gleichung Iq = m . h . 1 stimmt immer noch im Ansatz, wobei m.hier die Masse der Welle 7 und der beiden mit ihren Rollen ausgestatteten Tripoden 16 und 18A bezeichnet.

Bei einer kurzen Welle 6 stellt allerdings diese Fcrmel wegen des Einflusses der Massenträgheit der Rollen um ihre eigene Drehachse k^ine ausreichende Approximation dar. So erhält man bei Gelenkwallen mit zwei Tripodegelenken, deren Tripoden mit

oo

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der Zwischenwelle fest verbunden sind, die dynamische Abkopplung der Radialschwingungen, wenn folgende Gleichung zutrifft:

L²'

^h · ^{1 =} In + 3 J (R)

wobei:

Iq = Massenträgheitsmoment der gesamten Baugruppe aus der Gelenkwelle, den Tripoden und den Rollen um eine senkrecht zu dieser Welle 6 liegende und durch den Schwerpunkt G führende Achse ist;

ra = Masse dieser gesamten Baugruppe;

J = Massenträgheitsmoment einer Rolle um ihre Drehachse;

r = Abstand vom Mittelpunkt einer Rolle zur Gelenkwellenachse, und

R = Rollradius einer Rolle, bzw. Kugelradius der Rolle.

Durch diese Anordnung, bei welcher die Massenträgheit der Rollen um ihre Achse berücksichtigt ist, wird eine vollständige Abkopplung der Schwingungen ohne vorhergehende Meßversuche ermöglicht. Zu bemerken ist, daß sie zu einem größeren Abstand zwischen den Tripoden führt als bei der vereinfachten. Formel Iq = m . h . 1, die man übrigens wiedererhält, wenn J = 0 gesetzt wird.

Durch die Anordnungen entsprechend Fig. 2 und 3 kann die genannte Gleichung auf wirtschaftliche Weise erhalten werden,

.V=. Ι·| V":-':"':.'] · " 3318U9

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da der Inneriraum der Schalen 2H der Anschlüsse 23 die Schwerpunkte dieser Anschlüsse weit genug vom Punkt G wegrückt. Dies wird durch die Art und Weise ermöglicht, auf die die Innenelemente 16, 18, 18A der beiden Gelenke auf den Wellenzapfen 15 angebracht sind, wobei diese gegebenenfalls auf einer geeigneten Länge a bzw. _b aus diesen Teilen herausragen können (Fig. 3)·

Um die Gleichung Iq = m . h . 1 einzuhalten, muß außerdem in der Praxis das Verbindungsrohr so leicht wie möglich sein und zugleich eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen, um mit den Frequenzen der Radialschwingungen vom Motor keine Resonanz zu erzeugen. Außerdem muß auch eine ausreichende Drehfestigkeit bei Drehmomentspitzen durch Fahrfehler, wie etwa heftiges Schalten, sicherzustellen. Das Verbindungsrohr 22 kann beispielsweise aus Stahl hoher Festigkeit und geringer Stärke oder aber aus jedem anderen leichten, genügend steifen und festen Werkstoff bestehen, der nach Anbringen an den Anschlüssen 23 und Zusammenbau mit den Innenteilen der Gelenke die obengenannte Bedingung erfüllt.

So kann beispielsweise bei einem Personenkraftfahrzeug mittlerer Leistung das Stahlrohr eine Wandstärke von 1 mm bei einem Außendur*chmesser von 40 mm haben. Es kann entweder durch Elektronenstrahl- bzw. Laser-Schweißverfahren oder einfach nur durch Löten oder Widerstandsschweissen, aber auch durch jedes andere bekannte Verfahren, an der Kante der Anschlüsse befestigt werden.

Fdg. 4 zeigt ein Befestigungsbeispiel eines dünnen Rohres 22 mit hoher Festigkeit im Anschluß 23· Das Rohr wird in einen zylindrischen Einführungsteil der Schale 2Ά eingepreßt und stöUt dort gegen einen-Absatz. Das 'Verbinden zwischen den

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beiden sich berührenden zylindrischen Oberflächen erfolgt durch Kleben, Löten oder jedes andere bekannte bzw. übliche Verfahren.

Zu bemerken ist, daß es bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein kann, zumindest einen der Wellenzapfen 25 nicht am Innenteil des angrenzenden Gleichlaufgelenks, sondern an einem anderen Teil des Gelenks, insbesondere an einer das Außenteil eines Tripodegelenks bildenden Glocke, zu befestigen.

Fig. 5 zeigt eine andere Art der Radlagerung, bei welcher die Erfindung- angewandt werden kann: Ein einziges Teil 21B bildet die Glocke bzw. Tulpe des radseitigen Tripode-Festgelenks 7B, dessen Tripode 18B mit dem entsprechenden Anschluß 23 aus einem Stück hergestellt ist, die Radnabe, die den Radflansch 34 trägt, und den Innenring eines Kugellagers 35, dessen Außenring 36 am Achsschenkel 10 befestigt ist. Eine Masse 37, die geeignet ist, die vorgenannte Gleichung (1) oder (2) unter den zu Fig. 2 und 3 angegenbenen Bedingungen einzuhalten, ist hier am Ende der Welle 6 gegenüber dem Mittelpunkt B des Gelenks freitragend befestigt. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, kann diese Masse eine kugelförmige Außenfläche aufweisen und als gelenkige Abstützung der Tripode gegen den Kugelförmigen Boden 38 der Tulpe dienen, wobei gegebenenfalls eine Gleitschicht benutzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Gelenkwelle koppelt die Radialschwingungen umso besser ab, je weniger Reibung in den Gelenken 5 und 7 auftritt. So ist bei hohem Drehmoment die Variante nach Fig. 3, deren beiden Gleichlaufgelenke ein Minimum an innerer Reibung aufweisen, noch günstiger als die nach Fig. 2.

. -/fs-

Leerseite

Claims

i ->

Glaenzer Sp: cer ■ . ■ ..·'.. 19.05.83

10, Rue J.P. Timbaud Hn-sr -

F-783OI Poissy SOI71.QOI

Patentansprüche

Gelenkwelle, insbesondere für Kraftfahrzeuge, welche mittels Gleichlaufgelenken sowohl mit einer Antriebs- als auch mit einer Abtriebswelle verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die von der Gelenkwelle (6) und den mit dieser Welle verbundenen Teilen (16, 18, 20: 18A; 18B) der Gleichlaufgelenke gebildete Baugruppe um eine senkrecht zur Gelenkwelle liegende und durch den Schwerpunkt (G) dieser Baugruppe führende Achse ein Massenträgheitsmoment Iq aufweist, welches zumindest annähernd durch die Gleichung I_G = m . h . 1 definiert ist, wobei m die Masse der Baugruppe und h bzw. _1_ den Abstand zwischen den Mittelpunkten (A, B) der beiden Gelenke und dem Schwerpunkt (G) darstellen.
2. Gelenkwelle nach Anspruch 1, welche zumindest ein Gleichlaufgelenk zwischen seinem von der Gelenkwelle getragenen Teil und seinem von der Antriebs- bzw. Abtriebswelle getragenen Teil Zwischenelemente enthält,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Massenträgheitsmoment der Hälfte des Moments entspricht, weiches diese Zwischenelemente in bezug auf die

GQI

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.α.

genannte Achse hätten, wenn sie an der Gelenkwelle befestigt wären.
3. Gelenkwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß zumindest bei einem der beiden Gelenk (5, 7; 7A) die Gelenkwelle (6) auf eine bestimmte Länge (a, b) aus der Nabe (26) des Teiles (16, 18; 18A) des Gelenks herausragt, welches am entsprechenden Ende der Gelenkwelle befestigt ist.
4. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß. die Gelenkwelle (6) aus einem Rohr (22) besteht, an dessen Enden je ein Anschluß (23) befestigt ist, dessen rohrseitiger Teil (2*0 ausgespart ist.
5. Gelenkwelle nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Rohr (22) in eine zylindrische Einführung der Aussparung (24) der Anschlüsse (23) eingepreßt und befestigt wird.
6. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher zumindest ein Gleichlaufgelenk (7B) ein Tripodegelenk ist,

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dadurch gekennzeichnet,

daß das entsprechende Ende der Gelenkwelle (6) eine gegenüber dem Mittelpunkt (B) dieses Gelenks freitragende Masse (37) trägt.
7. Gelenkwelle nach Anspruch 6, bei welcher das radseitige Gelenk (7B) ein Tripodegelenk ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Masse (37) im Gelenk vorgesehen ist und sich auf dem Boden der Tulpe (21B) dieses Gelenks, ggf. unter Anwendung einer Gleitschicht, abstützt.
8. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 6 und 7, bei welcher die beiden Gleichlaufgelenke (5, 7A; 7B) Tripodegelenke sind, deren Tripoden (16, 18A; 18B) mit der Gelenkwelle (6) fest verbunden sind, gekennzeichnet durch folgende Gleichung:

r²

^h · ¹ = Ir, ^ 3 J (R)

wobei:

Iq = Massenträgheitsmoment der gesamten Baugruppe aus der
Gelenkwelle, den Tripoden und den Rollen (28) um eine
senkrecht zu dieser Welle liegende und durch den
Schwerpunkt (G) führende Achse ist;

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m = Masse dieser gesamten Baugruppe; J = Massenträgheitsmoment einer Rolle um ihre Drehachse;

r = Abstand vom Mittelpunkt einer Rolle zur Gelenkwellenächse, und schließlich

R = Rollradius einer Rolle bzw. Kugelradius der Rolle.