DE3539447C2

DE3539447C2 -

Info

Publication number: DE3539447C2
Application number: DE3539447A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Beigang; Werner Dipl.-Ing. 5200 Siegburg De Hoffmann
Original assignee: Individual
Current assignee: GKN Driveline SA
Priority date: 1985-11-07
Filing date: 1985-11-07
Publication date: 1987-11-12
Also published as: IT8607083V0; JPS62113919A; IT8605223A0; FR2589964B1; ES2001722A6; FR2589964A1; JPH0242132B2; GB2182728A; GB8626291D0; US4713040A; DE3539447A1; GB2182728B; IT1201654B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftübertragungswelle mit rohrförmigem Querschnitt mit zumindest an einem Rohrende in der Rohrwandung im wesentlichen radial angeordneten Bohrungen zur Aufnahme von mit ihrer Längsachse radial im Rohr angeordneten Gelenkzapfen, wobei ein Drehmoment in Form von Umfangskräften bezüglich der Rohrachse von Übertragungsflächen der Gelenkzapfen auf mittelbar oder unmittelbar daran anliegende Übertragungsflächen in der Rohrwandung übertragen wird.

Kraftübertragungswellen, insbesondere zum Zwecke der Übertragung eines Drehmomentes sind im Kraftfahrzeugbau weit verbreitet, z. B. zur Übertragung eines Drehmomentes vom Motor eines Kraftfahrzeuges zum Differential, Kardanwellen usw. Neuerdings hat man versucht, aus Kostengründen und Gewichtsersparnisgründen die rohrförmigen Übertragungswellen anstelle aus Stahl aus faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere mit Karbonfasern verstärkten duroplastischen Kunststoffen zu fertigen. Wegen der relativ geringen Zugfestigkeit quer zur Faserrichtung und der relativ geringen Schubfestigkeit und des niedrigen E-Moduls der Kunststoffrohre ergeben sich jedoch Probleme bezüglich der ausreichenden Belastbarkeit der Übertragungswellen im Bereich der Drehmomenteinleitung. Deshalb hat man bereits versucht, wie beispielsweise in der DE-OS 28 18 167 beschrieben, im Bereich der Krafteinleitung die Wanddicke des Kunststoffrohres unter Vergrößerung des Außendurchmessers zu vergrößern, um so die notwendige Festigkeit und Belastbarkeit zu erzielen. Auch bei der Kraftübertragungswelle gemäß EP-OS 00 19 585 aus faserverstärkten duroplastischen Kunststoffen wird das der Krafteinleitung dienende Rohrende verstärkt und zusätzlich außenseitig mit einer Metallhülse gefestigt. Die in den beiden genannten Druckschriften beschriebenen Wege, um die gewünschten Festigkeitswerte von Kraftübertragungswellen aus faserverstärkten Kunststoffen zu erzielen, beinhalten wirtschaftlich aufwendige Fertigungstechniken, die zudem den Platzbedarf durch Vergrößerung des Außendurchmessers der Kraftübertragungswelle erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftübertragungswelle so auszugestalten, daß eine günstige Krafteinleitung aus Torsionskräften, die einen radiale und tangentiale Komponente aufweisen, ermöglicht wird, so daß auch Rohre aus Materialien mit geringeren Festigkeitseigenschaften eingesetzt werden können. Insbesondere ist einer Verformung des Rohrquerschnitts der Kraftübertragungswelle durch die Drehmomentübertragung entgegenwirken.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Übertragungsflächen in Richtung des Rohrinneren sich verjüngende Kegelstümpfe bilden, deren Kegelwinkel jeweils kleiner ist als der Kegelwinkel eines gedachten Kegelstumpfes, dessen Kegelspitze im Mittelpunkt des Rohrquerschnittes liegt und dessen Basis mit der Basis des durch eine Übertragungsfläche gebildeten Kegelstumpfes zusammenfällt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der Drehmomentübertragung von der Gelenkwelle auf das Rohr, insbesondere bei unterschiedlichen Materialeigenschaften, wie den unterschiedlichen E-Modulen eines faserverstärkten Kunststoffrohres und eines metallischen Gelenkes, sich das Rohr unter der Einwirkung der radialen Kraftkomponenten des Drehmomentes verformt bzw. verformen kann. Bei einem zweiarmigen Gelenk wird hierbei der Kreisquerschnitt des Rohres zu einer Ellipse verformt, während bei einem Tripodestern sich eine polygonartige Deformierung einstellt, die soweit gehen kann, daß jeweils das Gelenk aus der Buchse herausfallen kann.

Man hat bisher stets versucht, durch eien entsprechende Verstärkung der Rohrwandung diesen Deformierungen durch die Radikalkräfte entgegenzuwirken. Erfidungsgemäß wird jedoch der umgekehrte Weg gegangen, daß ein Weg gefunden wurde, um die auftretenden Radialkräfte zu reduzieren, wobei eine Reduzierung bis auf Null möglich ist. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Übertragungsfläche als Kegelstumpf ausgebildet ist, wobei durch die richtige Wahl des Kegelwinkels α eine Reduzierung der Radialkomponenten der auftretenden Kräfte bei der Drehmomentübertragung bis auf Null möglich ist. Dieser Kegelwinkel α ist stets kleiner als ein Kegelwinkel α₀ eines Kegelstumpfes, dessen gedachte Kegelspitze im Mittelpunkt des Rohrquerschnittes liegt. Der erfindungsgemäße Kegelwinkel α der Übertragungsfläche wird bevorzugt durch eine kegelige Buchse realisiert; es ist jedoch auch möglich, die Buchse, d. h. die Übertragungsfläche zum Rohr integriert mit den Gelenkzapfen bzw. Zapfenende auszubilden, so daß der Zapfen entsprechend konisch ausgebildet ist

Mit der Erfindung sind die bei der Krafteinleitung vom Gelenk auf das Rohr auftretenden Radialkräfte reduzierbar, so daß auch bei sehr dünnen Rohrwandungen bzw. geringer Festigkeit derselben einen Verformung des Rohrquerschnittes vermeidbar wird. Bei Anwendung der Erfindung auf faserverstärkte rohrförmige Kraftübertragungswellen kann dann z. B. die bisher übliche Verstärkung des Rohrendes, in das die Krafteinleitung stattfindet, entfallen. Es kann dann z. B. die Dicke a der Rohrwandung bei Einsatz der erfindungsgemäßen Buchse über die Länge desselben konstant ausgebildet werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung bei Rohren aus insbesondere faserverstärkten, wie Carbonfasern und/oder Glasfasern und/oder Kunststoffasern verstärkten Kunststoffen anwenden. Hierbei kommen bevorzugt duroplastische Kunststoffe, aber auch hochfeste Thermoplaste zur Verwendung. Die Buchse kann aus Stahl hergestellt werden, sie kann mit einer durchgehenden Ausnehmung zur Aufnahme der Gelenkzapfen oder auch topfartig ausgebildet sein. In jedem Fall ist sie durch die erfindungsgemäße Ausbildung mit einem Kegelstumpf in der Lage, bei der Übertragung das Drehmomentes die Radialkräfte zu mimimieren bzw. auszuschalten zugunsten der Tangentialkräfte.

Dabei ist die die Buchse aufnehmende Bohrung des Rohres mit einer dem Kegelstumpf der Buchse entsprechenden konischen Ringfläche ausgebildet, deren Konizität durch den Kegelwinkel α des Kegelstumpfes der Buchse bestimmt ist.

Die Erfindung kann dann mit besonderem Vorteil angewendet werden, wenn das Teil, in das das Drehmoment eingeleitet wird, d. h. die rohrförmige Welle, einen geringeren E-Modul aufweist, d. h. leichter verformbar ist, als der kraftübertragende Teil, z. B. die Buchse aus Stahl.

Durch Anwendung der Erfindung können die Wanddicken der rohrförmigen Welle geringer gehalten werden, da ihre radiale Beanspruchung reduziert werden kann.

Der Kegelwinkel α der Buchse kann analytisch bestimmt werden. Er ist abhängig von dem Außendurchmesser der Buchse, d. h. vom Bohrungsdurchmesser in der Rohrwandung sowie von dem Außendurchmesser und der Wandstärke des Rohres. In der Fig. 8 der Zeichnung ist der optimale Kegelwinkel α in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Bohrungsdurchmessers bzw. Außendurchmessers "d" der Buchse und dem Rohrdurchmesser "D" gemäß der Erfindung aufgeführt, wobei jeweils der mittlere Durchmesser, gemessen in der Mitte der Wanddicke des Rohres, zugrundegelegt wird. Die dargestellte Kurve, Fig. 8, gibt den Kegelwinkel a für das jeweilige Verhältnis der genannten Durchmesser an, bei dem die bei der Drehmomentübertragung auftretenden Kräfte bezüglich ihrer radialen Komponente eliminiert sind. Wird der Kegelwinkel α etwas größer als der optimale Winkel gewählt, so erhält man wieder eine radikale Komponente, die nach innen, d. h. zur Rohrmitte gerichtet ist. Wird der Kegelwinkel α kleiner als der optimale Winkel gewählt, so erhält man wieder eine radiale Komponente, die nach außen gerichtet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird diese Erkenntnis umgesetzt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Buchse mit einem zylindrischen Bund im Anschluß an den verjüngten Bereich des Kegelstumpfes auszubilden. Durch diesen zylindrischen Bund erhält man in dem Bereich des Bundes gezielt eine radiale Komponente bei der Drehmomentübertragung, die nach außen gerichtet ist.

Dies hat den Vorteil, daß durch die gezielte Kompression der Laminatschicht die Delamination des Rohres verhindert wird, da die radialen Komponenten die Schichten im Einsatzbereich der Buchse, d. h. des Bundes an der Innenwandung des Rohres zusammendrücken. Es kann auch der Kegelwinkel des Kegelstumpfes der Buchse etwas größer als der optimale Kegelwinkel gewählt werden, so daß bei der Drehmomentübertragung im äußeren Bereich der Rohrwandung auch eine radiale Komponente nach innen erhalten wird. Hierbei kann man nun den Kegelwinkel so berechnen, daß die radiale Komponente, die im Bereich des Kegelstumpfes nach innen entsteht, gleich groß ist mit der radialen Kompenente, die im Bereich des zylindrischen Bundes nach außen entsteht, so daß das Rohr bezüglich der Radialkrätfte insgesamt nach außen neutral ist, gleichzeitig aber die Laminatschicht innen komprimiert wird.

Die Höhe h des zylindrischen Bundes der Buchse kann in Abhängigkeit von der gewünschten Größe der in diesem Bereich des Bundes auftretenden Radialkraft bestimmt werden. Entsprechend kann die die Buchse aufnehmende Bohrung des Rohres eine dem zylindrischen Bund der Buchse entsprechenden zylindrischen Absatz aufweisen.

Die Buchse selbst kann je nach Kraftübertragungswelle, ggf. unter Abdichtung und Verklebung, z. B. mittels Epoxidharzen, in die Rohrwandung der Kraftübertragungswelle eingesetzt sein.

Eine Fixierung der Gelenkzapfenenden in den Buchsen kann beispielsweise mittels eingesetzter Seegerringe oder Verschweißen oder Kaltverformen erfolgen.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung sowie die Berechnung des erfindungsgemäßen geeigneten Kegelwinkels der Buchse werden anhand der Zeichnung beschrieben und erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen auszugsweisen Längsschnitt durch die Kraftübertragungswelle mit Gelenk mit zylindrischer Buchse gemäß Stand der Technik

Fig. 2 den Querschnitt I-I von Fig. 1

Fig. 3 einen schematischen auszugsweisen senkrechten Querschnitt durch das Rohr gemäß Fig. 1 und 2 mit Kräfteverteilung

Fig. 4 ein schematisches Flächendiagramm der Kräfteverteilung im Bereich der Krafteinleitung in das Rohr gemäß Fig. 3

Fig. 5 einen Querschnitt analog zu Fig. 3 mit eingesetzter konischer Buchse und Erläuterung der Kräfteverteilung

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht auf das Rohr mit konischer Übertragungsfläche für eine konische Buchse und Schema der Kräfteverteilung

Fig. 7 auszugsweise Ansicht der konischen Bohrung von Fig. 6

Fig. 8 graphische Darstellung des Kegelwinkels α in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser und Buchsenaußendurchmeeser

Fig. 9 perspektivische Ansicht einer kegeligen Buchse

Fig. 10 zwei perspektivische Ansichten einer kegeligen Buchse mit zylindrischem Bund

Fig. 11 eine schmeatische Betrachtung der Kräfteverhältnisse analog zu Fig. 3 bzw. 5 mit einer Buchse gemäß Fig. 10.

In der Fig. 1 ist ausschnittsweise eine rohrförmige Kraftübertragungswelle in bekannter Bauweise dargestellt, bei der das Rohr 1 aus eiem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist und im Bereich des Rohrendes 10 die Wanddicke des Rohres 1 erheblich verstärkt ist, um in den Bohrungen 11 die zylindrischen Buchsen 2 für die Gelenkzapfen 31 des Gelenkes 3 aufzunehmen. Bei der Montage werden die topfartig ausgebildeten Buchsen 2 auf die in die Bohrungen 11 des Rohres 1 eingesteckten Enden der Gelenkzapfen aufgesetzt.

In der Fig. 2 sind in der Ansicht des Schnittes I-I der Fig. 1 auch noch die Gelenkzapfen 32 des Gelenkkreuzes des Gelenkes 3 zu sehen.

In der Fig. 3 ist schematisch die Kräfteverteilung für eine Kraftübertragungswelle gemäß Fig. 1 dargestellt. Das Rohr 1 hat die Wanddicke a und den mittleren Durchmesser D. Das Drehmoment wird von den Gelenkzapfen 31, über die Buchse 2, die in der Bohrung 11 des Rohres untergebracht ist, in das Rohr eingeleitet. Die Buchse 2 bzw. die Bohrung 11 weisen hierbei den Durchmesser d auf, der in der Mitte der Wanddicke des Rohres 1 gemessen wird. Diese vorgenannten Größen werden der späteren Rechnug ebenfalls zugrunde gelegt. Die übertragenen Kräfte F _ges weisen hierbei eine radiale nach außen gerichtete Komponente F _Rges auf und eine tangentiale Komponente, die nicht näher bezeichnet ist.

In der Fig. 4 ist die Druckverteilung an der Übertragungsfläche der Bohrung 11 bzw. zylindrischen Buchse 2 dargestellt, diese Verteilung weist ein ausgesprochenes Maximum P _max und zwei Minima P _min auf. Die Kräfteverhältnisse werden hierbei jeweils im Bereich des mittleren Durchmessers D des Rohres 1, der Mittellinie M untersucht.

Bei der Untersuchung der Kräfteverhältnisse im Rohr gemäß Fig. 5 ist anstelle der zylindrischen Lagerbuchse 2 der Fig. 3 eine kegelige Buchse 2 vorgesehen, deren Kegelflächen mit den Radien D/2 des Rohres 1 fluchten, d. h. daß die gedachte Kegelspitze im Mittelpunkt des Rohrquerschnittes liegt. Bei einer solchen kegeligen Buchse, bei der der Kegelwinkel α₀ durch die Radien des Rohres gebildet wird, weist die bei p = P _max angreifende Maximalkraft F _max ausschließlich eine tangentiale Komponente auf, d. h. F _Rmax = 0 bei p = P _max. In der Gesamtbetrachtung der Kräfte weist F _ges jedoch eine radiale Komponente F _Rges auf, die in das Rohrinnere gerichtet ist.

Mit O ist der Mittelpunkt des Rohrquerschnittes der Rohrwelle 1 bezeichnet.

Die Fig. 6 zeigt eine schematische perspektivische Betrachtung von oben auf das Rohr mit der konischen Bohrung 11 zur Aufnahme der Buchse 2 gemäß Fig. 5. Die Betrachtungen der Kräfteverhältnisse wurden bisher unter dem Zylinderschnitt 4, wie in der Fig. 5 dargestellt, angestellt. Hierbei wurde festgestellt, daß nur an der Stelle p =P _max, d. h. β = o unter Voraussetzung der Realisierung des Kegelwinkels a₀ die radiale Komponente der infinitesimalen Teilkraft dF gleich 0 wird.

An allen anderen Stellen über den Winkel β,

bei einem Kegelwinkel α = α₀, wobei

ist, und die gedachte Kegelspitze in der Mitt des Rohrquerschnittes liegt, ergeben sich infinitesimale radiale Teilkraftkomponenten dF _R ( β ), die aufsummiert eine nach innen gerichtete resultierende Radialkraft ergeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zwischen den beiden extremen Kegelwinkeln α =0 und α = α₀ ein berechenbarer Kegelwinkel existiert, unter dem die resultierende radiale Komponente in der Übertragungsfläche gleich Null ist.

Dieser läßt sich mathematisch aus der Gleichung

bestimmen.

In der Fig. 8 sind die Werte für den optimalen Winkel α in Abhängigkeit von sin α₀, d. h. dem Verhältnis von mittlerem Buchsendurchmesser d und dem mittleren Rohrdurchmesser D, berechnet und graphisch dargestellt.

In der Realisierung der Erfindung ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der optimale Winkel α für den Kegelstumpf der Buchse 2 bzw. die entsprechende Koniszität der Bohrung zur Aufnahme der Buchse 2 in der Rohrwandung eingehalten wird. Auch bei nicht zu großen Abweichungen nach Plus oder Minus vom optimalen Winkel sind die auftretenden Radialkräfte reduziert, und zwar erheblich gegenüber zylindrischen Buchsen und auch noch gegenüber den konischen Buchsen, da deren Kegelwinkel dem Winkel α₀ oder größer entspricht.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre der Ausbildung von kegeligen Buchsen ermöglicht die Krafteinleitung bei der Drehmomentübertragung unter Eliminierung von radialen Kräften in der rohrförmigen Kraftübertragungswelle, wodurch eine durch Radialkräfte hervorgerufene Deformierung des Rohrquerschnittes, die insbesondere bei Materialien mit geringem Elastizitätsmodul auftritt, vermieden werden kann, ohne daß die Rohrwandung bzw. den Rohrquerschnitt versteifende und verstärkende zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen.

Die Fig. 7 zeigt noch eine zusätzliche Darstellung für den Kegelwinkel α₀ des Zylinderschnittes nach Fig. 6.

In der Fig. 9 ist schematisch eine gemäß der Erfindung als Kegelstumpf ausgebildete Buchse 2 dargestellt, die eine durchgehende zylindrische Ausnehmung 23 für die Aufnahme der Gelenkbolzen aufweist und deren Außenkontur unter dem Kegelwinkel α sich in Richtung auf das Rohrinnere der Übertragungswelle verjüngend als Kegelstumpf 21 ausgebildet ist.

Es ist in weiterer Ausbildung der Erfindung möglich, die Buchse 2 zusätzlich neben der kegelstumpfförmigen Ausbildung noch mit einem zylindrischen Bund 22, wie in der Fig. 10 dargestellt, auszubilden, wobei der zylindrische Bund 22 sich an den verjüngten Bereich des Kegelstumpfes 21 der Buchse 2 mit der Höhe h anschließt.

Die letztgenannte Ausführung der erfindungsgemäßen Buchsen erlaubt ein gezieltes Zusammendrücken der Laminatschichten in der Krafteinleitungsstelle von Faserverbundwerkstoffen bei gleichzeitigem Ausgleich der radialen Kraftkomponenten.

Es ist auch möglich, die Buchse oberseitig geschlossen auszubilden, bzw. ggf. mit Einrichtungen zur Befestigung des Gelenkbolzens beispielsweise zu versehen.

In der Fig. 11 sind schematisch die Kräfteverhältnisse im Rohrquerschnitt mit der erfindungsgemäß gestalteten Buchse 2 gemäß Fig. 10 dargestellt. Entsprechend dem Kegelstumpf 21 der Buchse 2 weist die Bohrung 11 in der Rohrwandung des Rohres 1 die konische Ringfläche 111 und entsprechend dem zylindrischen Bund 22 der Lagerbuchse 2 die Bohrung 11 den zylindrischen Absatz 112 auf.

Die Neigung des Kegelstumpfes 21 wird hierbei durch den Kegelwinkel α so bestimmt, daß sich erfindungsgemäß aus der Gleichung

eine nach innen gerichtete Kraft F _{R 1} errechnet.

Im Bereich des zylindrischen Bundes 22 treten Kräfte auf, die neben einer tangentialen Komponente eine nach außen gerichtete radiale Komponente F _{R 2} aufweisen. Die radialen Komponenten F _{R 2} und F _{R 1} bewirken ein Zusammendrücken der Rohrwandung, wodurch ein Delaminieren von Verbundwerkstoffen im Bereich der Krafteinleitung des Rohres verhindert wird.

Claims

1. Kraftübertragungswelle mit rohrförmigem Querschnitt mit zumindest an einem Rohrende in der Rohrwandung im wesentlichen radial angeordneten Bohrungen zur Aufnahme von mit ihrer Längsachse radial im Rohr angeordneten Gelenkzapfen, wobei ein Drehmoment in Form von Umfangskräften bezüglich der Rohrachse von Übertragungsflächen der Gelenkzapfen auf mittelbar oder unmittelbar daran anliegende Übertragungsflächen in der Rohrwandung übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsflächen in Richtung des Rohrinneren sich verjüngende Kegelstümpfe (111, 21) bilden, deren Kegelwinkel α jeweils kleiner ist als der Kegelwinkel α₀ eines gedachten Kegelstumpfes, dessen Kegelspitze im Mittelpunkt des Rohrquerschnittes liegt und dessen Basis mit der Basis des durch eine Übertragungsfläche gebildeten Kegelstumpfes (111, 21) zusammenfällt.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Außenfläche einer an sich bekannten, in die Bohrung eingesetzten Buchse (2), die in einer Ausnehmung einen Gelenkzapfen aufnimmt, den in Richtung des Rohrinneren sich verjüngenden Kegelstumpf (21) bildet.

3. Welle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfläche der Buchse (2) einen zylindrischen Abschnitt (22) im Anschluß an den Kegelstumpf (21) aufweist.

4. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) aus insbesondere faserverstärkten, wie z. B. mit Carbonfasern und/oder Glasfasern und/oder Kunststoffasern verstärkten Kunststoffen, insbesondere duroplastischen Kunststoffen, hergestellt ist.

5. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (2) aus Metall besteht.