DE102010006012A1

DE102010006012A1 - Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102010006012A1
Application number: DE201010006012
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Ing. 73565 Berndt; Hans Dipl.-Ing. 71384 Brandt; Peter 44227 Buik; Matthias Dipl.-Ing. 76437 Grieger; Karl-Heinz 35216 Hahn; Thomas 37214 Lange; Thomas 78269 Trinkner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Huppert Engineering & Co Kg De GmbH; Georg Fischer GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Gelenkwelle mit einer Kreuzgelenkgabel (1) für Kraftfahrzeuge bereit, wobei ein zylindrischer Abschnitt (2) der Gelenkwelle (1) sich über eine Schulter (6) in einen Gelenkkopf (3) mit zwei Gabelschenkeln (4,5) erstreckt. Die Gelenkwelle mit der Kreuzgelenkgabel (1) weist einen axial entlang einer Längsachse der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle (1) orientierten Verstärkungseinleger (7) auf, der sich durch zumindest einen Teil des zylindrischen Abschnitts (2) und/rstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine gewichtsoptimierte verstärkte Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle für Kraftfahrzeuge.
Um durch Gewichtsreduktion eines Kraftfahrzeuges eine Kraftstoffeinsparung und damit einen verminderten Kohlendioxid-Ausstoß bei möglichst hohen Fahrleistungen zu erzielen, wird angestrebt, möglichst Komponenten im Kraftfahrzeugbau durch Leichtbauweise zu realisieren. Dabei ist die mechanische Festigkeit und Belastbarkeit der jeweiligen Fahrzeugkomponente zu berücksichtigen. So werden etwa an Bauteile in Bereichen mit kritischer Bauteilgeometrie eingesetzt, wie etwa eine Gelenkwelle mit Kreuzgelenkgabel, die als Teil des Antriebsstrangs im Hochleistungsbereich zum Einsatz kommt, besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit gestellt, so dass eine Fertigung solcher Bauteile in Leichtbauweise eine Herausforderung darstellt.
Aus dem Stand der Technik ist mit der DE 197 07 999 A1 eine Gleit-Kreuzgelenkgabel mit Aussparungen bekannt, die damit neben einem verringerten Gewicht vor allem äußere Flächen bereitstellt, die zum Anschweißen von Gegengewichten beim Auswuchten der Wellenanordnung vorgesehen sind. Diese Ausnehmungen erstrecken sich zwischen dem zylindrischen Körper und den Öffnungen in den Gabelschenkeln, wobei der Kreuzgelenkgabel durch die Streben, die zwischen und seitlich von den Ausnehmungen vorgesehen sind, ausreichende Festigkeit verliehen werden soll.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine gewichtsoptimierte Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle mit gleichzeitig einer bezüglich ihrer Bauteilgeometrie verbesserten Festigkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Gelenkwelle mit Kreuzgelenkgabel, die an einem – oder beiden – Enden eines zylindrischen Wellenabschnitts einen Gelenkkopf aufweist, der aus zwei Gabelschenkeln besteht, die über eine Schulter, respektive über einen schulterartigen Anschlussbereich des Gelenkkopfs mit dem zylindrischen Abschnitt verbunden sind. Um nun das Gewicht der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle zu reduzieren, ohne dass die Festigkeit an der Schulter verringert wird, wird in die Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle ein Verstärkungseinleger integriert, der axial entlang der Längsachse der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle orientiert ist und der sich durch zumindest einen Teil des zylindrischen Abschnitts und/oder durch zumindest einen Teil der Schulter erstreckt.
Der Verstärkungseinleger kann in einer Ausführungsform zylindrisch geformt sein und je nachdem, ob die Gelenkwelle als Hohl- oder Vollwelle vorgesehen ist, als Vollzylinder oder rohrförmig ausgebildet sein, wobei die favorisierte Leichtbauvariante den rohrförmigen Verstärkungseinleger aus Materialersparnisgründen vorsieht.
Durch die Fertigungstechnik der Sandwichbauweise für die Gelenkwelle mit Kreuzgelenkgabel, die aus einem Gusswerkstoff bestehen kann, kann durch geeignete Materialwahl des Verstärkungseinlegers sowohl die Festigkeit als auch das Gesamtgewicht der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle verringert werden, indem der Verstärkungseinleger nicht nur Gussmaterial ersetzt, sondern eine weitere Verringerung der Gusswandstärke durch ein Verstärkungsmaterial höherer Festigkeit ermöglicht.
So kann der Verstärkungseinleger ein Metalleinleger aus einem Stahl- oder Aluminiumblech ein. Die Verwendung eines Nichtmetalleinlegers aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff beispielsweise ist ebenfalls denkbar.
Durch die Materialwahl und die Verwendung eines Rohrs als Verstärkungseinleger in Verbindung mit der Sandwichbauweise kann die Festigkeit der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle verbessert werden, wobei der Verstärkungseinleger bei der Verwendung von Guss als Werkstoffmaterial für die Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle bereits beim Gießen in die Gelenkwelle integriert werden kann. Wird der Verstärkungseinleger eingegossen, so sind nach dem Erstarren des Gussmaterials der zylindrische Abschnitt und der Anschlussbereich axial formschlüssig mit dem Verstärkungseinleger verbunden.
Da Wellen durch die Drehmomentübertragung auch unter Torsion beansprucht werden, kann in einer weiteren Ausführungsform der Verstärkungseinleger Ausnehmungen aufweisen, die über seine Mantelfläche verteilt angeordnet sind und sich radial zur Längsachse öffnen. So wird beim Umgießen des Verstärkungseinlegers mit dem Gussmaterial zur Ausbildung der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle auch ein radialer Formschluss des Verstärkungseinlegers mit dem umgebenden zylindrischen Abschnitt und dem Anschlussbereich geschaffen, indem das Gussmaterial in die Ausnehmungen eintritt. Hierdurch wird der Verstärkungseinleger in der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle verzapft.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die 1 ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle.
Generell dienen Gelenkwellen zur Übertragung von Drehmomenten bei nicht fluchtenden Drehachsen oder bei sich gegeneinander bewegenden Teilen, so dass sie auch auf Torsion beansprucht werden. Eine Kreuzgabel-Gelenkwelle, bekannt auch als Kardanwelle, wird vor allem im Kraftfahrzeugbau als Komponente des Antriebsstranges verwendet und besteht meist aus einer Hohlwelle. Das Kreuz- oder Kardangelenk an den Enden der Kardanwelle ermöglicht den Anschluss an ein weiteres Kreuzgelenk einer anderen Welle mit geringem Spiel und Wartungsaufwand sowie einem hohen Wirkungsgrad.
Als Alternative oder zusätzlich zum Kreuzgelenk werden heutzutage zur Kopplung von Gelenkwellen auch Gelenkscheiben aus Gummi oder einem anderen elastischen Material mit integrierten Metallbuchsen eingesetzt, die durch Dämpfung von Vibrationen für einen ruhigeren Lauf des Antriebs und damit für einen verbesserten Komfort sorgen.
Die Erfindung ist zwar anhand einer Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle beschrieben, es ist allerdings auch denkbar, eine mit Gelenkscheiben ausgestattete Gelenkwelle in der erfindungsgemäßen Sandwichbauweise der Gelenkwelle mit einem Verstärkungseinleger auszuführen, so dass auch hier eine gewichtsoptimierte Gelenkwelle erhalten werden kann.
In 1 ist ein Endstück einer Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle 1 dargestellt, bei der sich von dem zylindrischen Abschnitt 2 der Gelenkwelle 1 über die Schulter 6 die beiden gegenüberliegenden Gabelschenkel 4, 5 des Gelenkkopfes 3, dargestellt ohne die zur Kopplung einer zweiten Kreuzgelenkgabel erforderlichen Lagerbohrungen, anschließen. Die Gelenkwelle 2 ist hier eine Hohlwelle, in der ein sich axial erstreckender Verstärkungseinleger 7 eingegossen ist, der als Rohr vorliegt und so eine Durchgangsöffnung 8 bereitstellt. Der Verstärkungseinleger 7 ist formschlüssig von dem zylindrischen Abschnitt der Gelenkwelle 2 und der Schulter 6 umgeben.
Die Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle 1 ist als Gussbauteil ausgeführt, wobei in das Endstück der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle 1 der Verstärkungseinleger 7, der beispielsweise aus einem Stahl- oder Aluminiumblech gefertigt ist, während des Gießvorgangs der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle 1 eingegossen wird, so dass durch die Sandwichbauweise der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle 1 mit dem Verstärkungseinleger 7 die bezüglich der Bauteilgeometrie kritische Schulter 6 hinsichtlich Gewicht und Festigkeit optimiert ist. Der Verstärkungseinleger 7 kann auch aus einem Material bestehen, das aus einer Gruppe von Nichtmetallen (Faserverbund, PU-Schaum, etc.) ausgewählt ist.
Der Verstärkungseinleger 7, der sich von dem zylindrischen Abschnitt 2 in die Schulter 6 des Gabelkopfs 3 erstreckt, ersetzt dort das sonst vorhandene Gussmaterial, wodurch das Gewicht verringert wird, während gleichzeitig eine ausreichende, wenn nicht sogar erhöhte Festigkeit bereitgestellt wird.
Zur Verbesserung des Formschlusses zwischen der gegossenen Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle 1 und dem eingegossenen Verstärkungseinleger 7, vor allem in radialer Richtung, kann dieser Umfangsöffnungen – in der Figur nicht dargestellt – aufweisen, in die das Gussmaterial hinein bzw. hindurch treten kann, so dass der Verstärkungseinleger 7 auch gegenüber den auftretenden Torsionskräften formschlüssig in der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle 1 verankert ist.
Die Sandwichbauweise mit Verwendung des rohrähnlichen Verstärkungseinlegers in der Gelenkwelle, vor allem in den kritischen Bereichen der Endstücke zu den Gabelköpfen, gestattet durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe unter Ausnutzung der bauteilspezifischen mechanischen Werkstoffeigenschaften die optimale Nutzung der gewichtsspezifischen Bauteilgeometrie sowie die Optimierung der bauteilkritischen Festigkeitsbereiche, so dass die Bauteilfestigkeit bei gewichtoptimierter Bauteilgeometrie erhöht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19707999 A1 [0003]

Claims

Gelenkwelle mit einer Kreuzgelenkgabel (1) für Kraftfahrzeuge, wobei ein zylindrischer Abschnitt (2) der Gelenkwelle (1) sich über eine Schulter (6) in einen Gelenkkopf (3) mit zwei Gabelschenkeln (4, 5) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkwelle mit der Kreuzgelenkgabel (1) einen axial entlang einer Längsachse der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle (1) orientierten Verstärkungseinleger (7) aufweist, der sich durch zumindest einen Teil des zylindrischen Abschnitts (2) und/oder durch zumindest einen Teil der Schulter (6) erstreckt.
Gelenkwelle mit einer Kreuzgelenkgabel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinleger (7) ein Vollzylinder oder ein Rohr ist.
Gelenkwelle mit einer Kreuzgelenkgabel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinleger (7) aus einem Metall besteht, das aus einer Gruppe umfassend zumindest einen Stahl und Aluminium ausgewählt ist.
Gelenkwelle mit einer Kreuzgelenkgabel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinleger (7) aus einem Material besteht, das aus einer Gruppe von Nichtmetallen (Faserverbund, PU-Schaum, etc.) ausgewählt ist.
Gelenkwelle mit einer Kreuzgelenkgabel (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkkopf (3) und der zylindrische Abschnitt (2) der Gelenkwelle (1) aus einem Gusswerkstoff bestehen, wobei ein axialer Formschluss des Verstärkungseinlegers (7) zumindest mit dem zylindrischen Abschnitt (2) der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle (1) bereitgestellt wird, indem der Verstärkungseinleger (7) in den Gusswerkstoff der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle (1) eingegossen ist.
Gelenkwelle mit einer Kreuzgelenkgabel (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinleger (7) über seine Mantelfläche verteilte und radial zu der Längsachse orientierte Ausnehmungen zur Aufnahme von Gusswerkstoff aufweist, wodurch ein radialer Formschluss zwischen dem Verstärkungseinleger (7) und der Kreuzgelenkgabel-Gelenkwelle (1) bereitgestellt wird.