DE3920793C2

DE3920793C2 - Verbindungsanordnung

Info

Publication number: DE3920793C2
Application number: DE19893920793
Authority: DE
Inventors: Miloslav Petrzelka; Werner Dipl Ing Hoffmann
Original assignee: GKN Automotive GmbH
Current assignee: GKN Driveline SA
Priority date: 1989-06-24
Filing date: 1989-06-24
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2009-06-25
Also published as: DE3920793A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zwischen dem Ende einer Rohrwelle, insbesondere aus Verbundwerkstoff und einem zum offenen Rohrende koaxial liegenden Anschlußelement mit einem Anschlußstutzen, die miteinander in Umfangsrichtung form schlüssig im Eingriff befindliche Verbindungsmittel aufweisen, zur Verwendung in einer Längswelle im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der unabhängi gen Patentansprüche.

Aus der EP 0 109 451 B1 ist eine Verbindungsanordnung zwischen einer Rohrwelle aus Faserverbundwerkstoff und einem Anschlußzap fen eines Anschlußelementes über ein ringförmiges Zwischenstück dargestellt, das vor dem Aushärten der Rohrwelle in diese einge setzt wird und seinerseits den Anschlußstutzen über Wellenver zahnungsmittel drehfest aufnimmt. Das Zwischenstück stützt sich an einer Ringkante des Anschlußelementes axial ab; die Rohrwelle stützt sich über eine Querschnittsänderung bei konstanter Wand stärke am Ende des Zwischenstücks axial ab. Es wird hierdurch eine gegen axiale Überbelastung feste Verbindung geschaffen, die zu einer allfälligen Zerstörung der Rohrwelle in unkontrollier ter Weise in Form von Stauchung oder Knickung vom freien Mittel abschnitt ausgehend führt.

Aus der DE 34 21 191 C2 ist eine Verbindungsanordnung der vor stehend genannten Art bekannt, bei der die Rohrwelle umfangsver teilte, axial begrenzte bis zum Rohrende reichende Längsschlitze aufweist, in die am Anschlußstutzen des Anschlußelementes ange setzte längsverlaufende Radialstege eingreifen. Die Rohrwelle ist bis zum Anschlag des Rohrendes an einem Festflansch des Anschlußelementes auf den Anschlußstutzen aufgeschoben. Im Be reich des Eingriffs der Radialstege in die Längsschlitze ist eine Bandage nachträglich auf das Rohrende aufgebracht. Bei einer axialen Überbelastung der Rohrwelle wird die durch den Anschlag des Rohrendes am Festflansch gesicherte und durch die Bandage verstärkte Verbindung im wesentlichen unbeeinträchtigt bleiben. Eine Zerstörung wird durch Stauchen oder Knicken des schwächeren Rohrmittelabschnitts der Rohrwelle erfolgen, wobei die Energieabsorption zunächst einen momentanen Höchstwert und dann einen nahezu völligen Zusammenbruch zeigen wird.

Aus der DE 30 07 896 C2 ist eine Verbindungsanordnung der ge nannten Art bekannt, bei der das Rohrende auf einen mit einer Außenverzahnung versehenen Stutzen aufgeschoben wird bzw. bei der das Rohrende in ein mit einer Innenverzahnung versehenes Gelenkbauteil eingeschoben wird. Die erstgenannte Verbindung ist außen durch einen die Anordnung umgebenden Ringkörper, die zweitgenannte Verbindung durch eine in das Rohrende eingeschobe ne Hülse gesichert. Hierbei schneidet sich jeweils die Verzah nung in die Rohroberfläche ein.

Aus der DE 38 28 018 A1 ist eine Verbindungsanordnung bekannt, bei der ein metallisches Anschlußelement mit Außenverzahnung in das Ende eines Faserverbundrohres unter Einschneiden der Ver zahnung in den Verbundwerkstoff und radialem Aufweiten des Roh rendes eingepreßt wird. Im Anschluß an den eingepreßten Stutzen, der zugleich Gelenkteil ist, ist der Querschnitt des Faserver bundrohres reduziert.

Schließlich ist aus der US 4 722 717 eine Verbindungsanordnung zwischen dem offenen Ende einer Faserverbundwelle und einem Anschlußstutzen bekannt, bei dem sich ergänzende Längs- und Umfangsnuten jeweils auf der Innenoberfläche des Rohrendes und auf der Außenfläche des darin eingeschobenen Stutzens vorgesehen sind, in die aushärtbares Harz, das gegebenenfalls kurze Faser anteile umfassen kann, eingebracht wird, um nach dem Aushärten ein in Umfangs- und in Axialrichtung einen Formschluß herstel lendes Verbindungselement zu bilden.

Im letztgenannten Fall soll bestimmungsgemäß eine nicht nur drehmomentbelastbare, sondern auch axial feste Verbindung zwi schen dem Rohrende und dem Anschlußelement hergestellt werden. Die beiden erstgenannten Anordnungen sind aufgrund ihrer kon struktiven Einzelheiten ebenfalls in Umfangsrichtung und in Axialrichtung, zumindest in Bezug auf Druckkräfte hochbelastbar.

Das Verformungsverhalten beim Frontalaufprall wird bei modernen Kraftfahrzeugen konstruktiv so vorgegeben, daß bestimmte pro gressive Deformationskennlinien (Deformationskraft über Deforma tionsweg) erzielt werden. ("Zur Realisierbarkeit unterschiedli cher Deformationskennlinien", R. Hoefs u. a., BMFT Vorhaben TV 8035.)

Bei der Verwendung der obengenannten Verbindungsanordnungen in Längsantriebswellen (Kardanwellen) von Kraftfahrzeugen mit Hin terrad- oder Allradantrieb hat es sich als wesentlicher Nachteil herausgestellt, daß Faserverbundwellen oder andere Leichtbauwel len, die in der Regel aufgrund ihres geringen Gewichtes auf ein Zwischengelenk verzichten können, eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen. Beim Frontalaufprall wird durch die Wirkung der stei fen Längsantriebswelle und die Massenträgheit der angeschlosse nen Antriebsachse bzw. des Differentials die Knautschzone des Fahrzeuges versteift und verliert so ihre schützende Wirkung für die Insassen des Fahrzeuges. Die festgelegte Energieabsorption wird durch die Verbindung der Hinterachsmassen mit dem Fahrzeug vorderbau über die Längswelle gestört und in der Folge werden die Körper der Insassen zu schnell abgebremst. Dies kann bei einem Unfall zu schweren bzw. tödlichen Verletzungen führen.

Es wurde in Crash-Versuchen weiter festgestellt, daß auch der Einsatz einer Sicherheitseinrichtung nach Art eines Airbags durch die beschriebene Einwirkung der steifen Längsantriebswelle gestört wird. Die Folge hiervon ist, daß die Airbags zu spät initiiert werden und die Insassen ebenfalls nicht den beabsich tigten Schutz erfährt.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anschlußverbindung der genannten Art für die Anwendung in Längsantriebswellen von Kraftfahrzeugen so auszugestalten, daß die in der Praxis aufgetretenen Störeinflüsse weitgehend ver mieden werden. Die Lösung hierfür besteht in Anschlußverbindun gen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche, bei der die von der Rohrwelle zerstörungsfrei aufnehmbaren Druck- oder Knickkräfte in Axialrichtung größer sind als die in Längsrich tung wirksamen Adhäsionskräfte zwischen dem Rohrende und dem Anschlußstutzen. Es wird hiermit eine konstruktiv einfache Lö sung bereitgestellt, die die erforderlichen Drehmomente problem los übertragen kann, im Normalbetrieb auch begrenzte Längskräfte aufnimmt, um beispielsweise die Wirkung von üblichen Schiebege lenken im Anschluß an die Welle sicherzustellen, die jedoch bei einem Frontal- oder Auffahrunfall eine Abkopplung der Hinter achsenmassen vom Fahrzeugvorderbau ermöglicht, so daß keine Störeinflüsse von dort auf die Knautschzone und die Initiierung des Airbags ausgeübt werden.

Nach einer bevorzugten Auslegung der Anschlußverbindung sind die in Längsrichtung wirksamen Adhäsionskräfte zwischen dem Rohrende und dem Anschlußstutzen größer als die bei zerstörungsfreiem Frontalaufprall des Kraftfahrzeugs im Bereich "Fußgängerschutz" und "Schutz bei kleiner Geschwindigkeit" an der Rohrwelle auf tretenden Verzögerungskräfte in Axialrichtung, d. h. der soge nannte 5 km/h-Aufprall des Fahrzeugs soll zu keinen Veränderungen an der Anschlußverbindung führen.

In erfindungsgemäßer Wirkungsweise wird nach dem Trennen der Verbindung durch geeignete Mittel das Wellenende unmittelbar an der Verbindungsanordnung zerstört, so daß auch nicht im späteren Verlauf der Fahrzeugverformung die Wellensteifigkeit störende Einflüsse hervorruft.

Es kann dabei die Rohrwelle in axialer Richtung zur Darstellung axial veränderlicher Energieabsorption auch eine veränderliche Wanddicke aufweisen, mit der in Ergänzung zum Fahrzeugvorderbau die Deformationskennlinie beeinflußt werden kann. Die Kraftver läufe der Rohrwelle können antizyklisch zu denen des Vorderbaus ausgelegt werden. Als geeignete Mittel für die Zerstörung sind ein Aufreißkonus bei auf den Anschlußstutzen aufgeschobenem Rohrende oder ein Quetschkonus bei in den Anschlußstutzen einge stecktem Rohrende geeignet. Noch günstiger sind mehrere umfangs verteilte Schneidkeile, die das Rohr in Längsrichtung auf schlitzen.

Ein mit axialem Abstand zum Rohrende angeordneter einfacher Ab satz ist ebenfalls möglich. Von Bedeutung ist es daher, daß zum Losreißen am Anschlußelement vor dem Rohrende zunächst keine wesentlichen Querschnittsänderungen liegen.

Die angesprochene Hülse kann als gesonderter Körper ausgebildet sein, der selbst aus Faserverbundwerkstoff oder geeignetem Kunststoff oder Harzmaterial hergestellt ist und in das Rohrende eingeklebt wird, worauf dieses dann auf den Anschlußstutzen aufgeschoben wird. Zur Fixierung von Rohrende und Anschluß stutzen kann es günstig sein, wenn die Hülse radiale, bevorzugt dabei axial verlaufende Durchbrechungen hat, die einen begrenz ten unmittelbaren Klebekontakt zwischen Rohrende und Anschluß stutzen ermöglichen.

Die Hülse kann jedoch auch in situ erzeugt werden, wenn entspre chende Bundbereiche am Anschlußelement vorgesehen sind und im Anschlußstutzen oder im Rohrkörper Zuführ- und Entlüftungsöff nungen zum Einbringen eines Harzes, insbesondere eines mit kur zen Fasern versetzten Harzes vorgesehen sind.

Damit keine Adhäsionskräfte zwischen dem verzahnten oder poly gonförmigen Anschlußstutzen und der Hülse entstehen, kann die Auswahl einer geeigneten Werkstoffpaarung ausreichend sein, in der Regel wird ein Trennmittel auf den Anschlußstutzen aufzu bringen sein. Sofern dies nicht ausreicht, kann die Verbindung zwischen Anschlußstutzen und Hülse vor der endgültigen Montage auch zunächst axial losgerissen werden und dann wieder unter geeigneter Fixierung zur Aufnahme geringer Kräfte ineinanderge schoben werden.

Zur zeitlichen Steuerung der Zerstörung des Rohrendes bzw. zur Darstellung bestimmter Kraftverläufe kann es sinnvoll sein, das vom einem Wellenabsatz, einem Aufreiß- oder Quetschkonus oder von Schneidkeilen zu zerstörende Rohrende mit über der Länge sich verändernder Dicke auszuführen. Bevorzugte Ausführungsbei spiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung darge stellt.

Fig. 1 zeigt eine Anschlußverbindung mit Aufweitkonus am Anschlußstutzen im Längsschnitt,

Fig. 2 zeigt eine Anschlußverbindung mit einem Anschluß stutzen nach Fig. 1 im Querschnitt mit einer ver größerten Einzelheit,

Fig. 3 zeigt eine Anschlußverbindung nach den Fig. 1 und 2 im Zustand teilweiser Zerstörung,

Fig. 4 zeigt eine Anschlußverbindung mit einem Axialanschlag am Anschlußstutzen in einiger Entfernung vom Rohrende,

Fig. 5 zeigt eine Anschlußverbindung mit einem Aufweitkonus am Anschlußstutzen und einer separaten geschlitzten Hülse,

Fig. 6 zeigt Kraft-Zeit-Verläufe von Anschlußstutzen ver schiedener Ausführung.

In Fig. 1 ist ein Rohrende 7 eines Faserverbundrohres darge stellt, das auf einen Anschlußstutzen 1 aufgeschoben ist. Das Rohrende sitzt auf zwei Bundbereichen 4, 5 oder Zentrierungen des Anschlußstutzens 1 auf. Zwischen diesen beiden weist der Anschlußstutzen eine Außenverzahnung 2 auf. Eine Hülse 8 greift formschlüssig in die Verzahnung ein und steht mit der zylindri schen Innenfläche des Rohrendes 7 in haftschlüssiger Verbindung. Im Anschluß an das Rohrende weist der Anschlußstutzen 1 einen Aufweitkonus 3 bzw. mehrere Schneidkeile auf. Der Anschluß stutzen 1 weist ferner eine zentrale Entlüftungsbohrung 6 auf.

In Fig. 2 ist das mit der Verzahnung 2 versehene Stutzenende und der innenzylindrische Rohrkörper erkennbar, zwischen denen sich die aus ausgehärtetem Harz, insbesondere faserverstärktem Harz, hergestellte Hülse 8 zu erkennen ist, die mit dem Rohrende 7 haftschlüssig verbunden ist und gegenüber der Verzahnung 2 durch eine Trennmittelschicht 9 so getrennt ist, daß ausschließ lich ein Formschluß wirksam wird.

In Fig. 3 ist die Anschlußverbindung nach den Fig. 1 und 2 in der Zerstörung befindlich gezeigt. Das Rohrende 7 mit der anhaftenden Hülse 8 ist durch den Aufweitkonus 3 bleibend aufge weitet und von der Verzahnung 2 zwischen den Bunden 4, 5 abgeho ben, ohne die geschlossene Rohrform zu verlieren.

In Fig. 4 ist ein Rohrende 7 eines Faserverbundrohres darge stellt, das auf einen Anschlußstutzen 1 aufgeschoben ist. Das Rohrende 7 sitzt auf zwei Bundbereichen 4, 5 des Anschluß stutzens 1 auf, zwischen denen der Anschlußstutzen eine Außen verzahnung 2 aufweist. Eine Hülse 8 greift formschlüssig in die Verzahnung 2 ein und steht mit der zylindrischen Innenfläche des Rohrendes 7 in haftschlüssiger Verbindung. In einigem Abstand vom Rohrende 7 weist der Anschlußstutzen 1 einen Axialanschlag 11, 12 auf, der nach dem zunächst leichten Ablösen des Rohrendes 7 vom Anschlußstutzen 1 beim Auftreffen dessen Zerstörung be wirkt. Der Anschlußstutzen 1 weist ferner eine zentrale Entlüf tungsbohrung 6 auf.

Fig. 5 zeigt eine Verbindungsanordnung, in dem das Rohrende 7 eines Faserverbundrohres und ein mit einem Aufweitkonus 3 und einer Entlüftungsbohrung 6 versehener Anschlußstutzen 1 gezeigt ist, der eine Außenverzahnung 2 aufweist. Im Rohrende 7 ist eine Hülse 13 in Form eines separaten Körpers vorgesehen, der form schlüssig in die Verzahnung 2 eingreift und mit dem innenzylin drischen Rohrende 7 durch Klebung verbunden ist. Die Hülse 13 weist eine axiale Schlitzung 14 auf, die eine örtliche haft schlüssige Verbindung des Anschlußstutzens 1 mit dem Rohrende 7 ermöglicht und zugleich die Auftrennung durch den Aufweitkonus 3 bei der Zerstörung des Rohrendes 7 erleichtert. Unter Verzicht auf diese Wirkung sind auch einfache z. B. runde radiale Durch brechungen möglich. Ein Ringraum 15 zwischen Hülse 13 und Roh rende 7 gibt Platz für ein mit beiden Teilen in haftschlüssiger Verbindung befindliches Klebervolumen.

In Fig. 8 sind verschiedene Kraft-Zeit-Diagramme verschiedener Rohrenden, die nach dem erfindungsgemäßen Prinzip aufgebaut sind, im Vergleich mit einem Rohrende nach dem Stand der Technik dargestellt. Kurve "C" gibt den Zerstörungsverlauf eines Rohren des einer Anschlußverbindung nach Fig. 4 wieder, während Kurve "D" die Zerstörung eines Rohrendes nach dem Stand der Technik, beispielsweise gemäß der US 4 722 717 wiedergibt.

Bezugszeichenliste

1 Anschlußstutzen
2 Außenverzahnung
3 Aufweitkonus
4 Bund
5 Bund
6 Entlüftungsbohrung
7 Rohrende
8 Hülse (Kleber)
9 Trennmittelschicht
10 Verdickung
11 Dickenreduzierung
12 Anschlag (Absatz)
13 Hülse (Körper)
14 Schlitzung
15 Ringraum.

Claims

1. Verbindungsanordnung zwischen dem Ende einer Rohrwelle, insbesondere aus Verbundwerkstoff, und einem in das offene Rohrende (7) eingesetzten Anschlußelement mit einem An schlußstutzen (1), die miteinander über eine im Ringraum zwischen dem Rohrende (7) und dem Anschlußstutzen (1) an geordnete Hülse (8, 13) verbunden sind, zur Verwendung in einer Längswelle im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei der Anschlußstutzen (1) eine Längsverzahnung (2) oder einen polygonförmigen äußeren Querschnitt hat und das Roh rende (7) eine zylindrische Innenfläche hat und die Hülse (8, 13) durch eine Klebung haftschlüssig mit der zylindri schen Innenfläche des Rohrendes (7) verbunden ist und form schlüssig in die Längsverzahnung (2) eingreift oder mit dem polygonförmigen äußeren Querschnitt des Anschlußstutzens (1) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Hülse (8, 13) und dem An schlußstutzen (1) bzw. dem Rohrende (7) derart ausgebildet ist, daß bei Überschreiten einer den Anschlußstutzen (1) in das Rohrende (7) einschiebenden Axialkraft vorbestimmter Höhe nur die Verbindung zwischen der Hülse (8, 13) und dem Anschlußstutzen (1) nachgibt, daß sich das Rohrende (7) über den Verbindungsbereich hinaus innen glatt fortsetzt, und daß Mittel zur Zerstörung des Rohrendes (7) beim Ein schieben des Anschlußstutzens (1) in das Rohrende (7) am Anschlußelement ausgebildet sind, insbesondere ein Aufreiß konus, ein Ringanschlag oder Schneidkeile, wobei die von der Rohrwelle in Axialrichtung zerstörungsfrei aufnehmbaren Druck- oder Knickkräfte größer sind als die in Längsrich tung wirksamen Adhäsionskräfte zwischen dem Anschlußstutzen (1) und der Hülse (8, 13).

2. Verbindungsanordnung zwischen dem Ende einer Rohrwelle, insbesondere aus Verbundwerkstoff, und einem auf das offene Rohrende aufgeschobenen Anschlußelement mit einem Anschluß stutzen, die miteinander über eine im Ringraum zwischen dem Rohrende und dem Anschlußstutzen angeordnete Hülse verbun den sind, zur Verwendung in einer Längswelle im Antriebs strang eines Kraftfahrzeuges, wobei der Anschlußstutzen eine innere Längsverzahnung oder einen polygonförmigen inneren Querschnitt hat und das Rohrende eine zylindrische Außenfläche hat und die Hülse durch eine Klebung haft schlüssig mit der zylindrischen Außenfläche des Rohrendes verbunden ist und formschlüssig in die innere Längsverzah nung eingreift oder mit dem polygonförmigen inneren Quer schnitt des Anschlußstutzens zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Hülse und dem Anschluß stutzen bzw. dem Rohrende derart ausgebildet ist, daß bei Überschreiten einer den Anschlußstutzen (1) auf das Rohren de (7) aufschiebenden Axialkraft vorbestimmter Höhe nur die Verbindung zwischen der Hülse und dem Anschlußstutzen nach gibt, daß sich das Rohrende über den Verbindungsbereich hinaus außen glatt fortsetzt, und daß Mittel zur Zerstörung des Rohrendes (7) beim Aufschieben des Anschlußstutzens (1) auf das Rohrende am Anschlußelement ausgebildet sind, ins besondere ein Quetschkonus, ein Ringanschlag oder Schneid keile, wobei die von der Rohrwelle in Axialrichtung zer störungsfrei aufnehmbaren Druck- oder Knickkräfte größer sind als die in Längsrichtung wirksamen Adhäsionskräfte zwischen dem Anschlußstutzen und der Hülse.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (13) ein in das Rohrende eingeklebtes separa tes Element ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8) zwischen dem Rohrende (7) und dem An schlußstutzen (1) zwischen zwei in axialem Abstand liegen den Bundbereichen (4, 5) des Anschlußstutzens (1) in situ ausgeformt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Hülse (8, 13) und der Verzahnung oder der Polygonform des Anschlußstutzens (1) eine Trennmittel schicht (9) vorgesehen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (13) am Umfang aufgetrennt ist und an der zumindest einen Trennstelle (14) eine Klebeverbindung un mittelbar zwischen dem Anschlußstutzen (1) und der zylin drischen Innen- oder Außenfläche des Rohrendes (7) vorgese hen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement eine axial gerichtete zentrale Durchgangsöffnung hat.