DE19929159C2

DE19929159C2 - Monobloc-Hohlwelle

Info

Publication number: DE19929159C2
Application number: DE19929159A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kuehnhold; Rudolf Beier
Original assignee: GKN Loebro GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2001-08-09
Anticipated expiration: 2019-06-26
Also published as: DE19929159A1; FR2796678B1; JP2001032818A; US6350205B1; FR2796678A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Monobloc-Hohlwelle zur Übertragung von Drehmoment mit zwei Endabschnitten, die an ihren axial äuße ren Enden Wellenverzahnungen zur Einleitung von Torsionskräften aufweisen, und mit einem Mittelabschnitt, der gegenüber den Endabschnitten eine geringere Wandstärke aufweist. Derartige Wellen werden als sogenannte Zwischenwelle mit zwei Gleichlauf drehgelenken, die auf die Wellenverzahnungen aufgeschoben wer den, und mit die Drehgelenke gegenüber der Welle abdichtenden Faltenbälgen zu Seitenantriebswellen komplettiert. Monobloc- Hohlwellen werden heute üblicherweise so ausgeführt, daß sie über den gesamten Querschnitt ein möglichst konstantes polares Widerstandsmoment (W_P) aufweisen. Hierdurch soll ein möglichst geringes Gewicht erreicht werden. Dies ist erstmals in der DE 30 09 277 C2 beschrieben. Derartige Wellen werden heute im Anfahr betrieb häufig über den elastischen Bereich hinaus belastet, wobei die Bruchgefahr immanent gegeben ist. Zur Erhöhung der Festigkeit ist es üblich, die Monobloc-Hohlwellen im Einsatz zu härten, um geringe Wandstärken mit ausreichenden Festigkeiten darzustellen. Die Einsatzhärtung führt bekannterweise zu einem relativ spröden Bruchverhalten mit kleinen Bruchwinkeln.

Die Faltenbälge, die die Drehgelenke gegenüber der Zwischenwelle abdichten, sind in der Regel auf relativ kleinem Durchmesser in Nuten an der Zwischenwelle fixiert. Dies hat den Nachteil, daß hier Querschnittsschwächungen entstehen, in denen bei Belastungsspitzen im wesentlichen die plastischen Verformungen statt finden. Diese Veformungen führen zu einer Reduzierung des Ar beitsvermögens, was dann bei erneuten Spitzenbelastungen un mittelbar zum Bruch führen kann.

Aus der DE 21 35 909 A ist eine Monobloc-Hohlwelle der eingangs genannten Art bekannt, bei der aus Gründen des Leichtbaus bei hoher Drehmomentkapazität das polare Widerstandsmoment der End abschnitte der Welle über dem polaren Widerstandsmoment des Mittelabschnitts der Welle liegen. Das Zahlenverhältnis beider Werte liegt dabei ungefähr bei 3, 4.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Monobloc-Hohlwelle dieser Art vorzuschlagen, die wiederholten Spitzenbelastungen ohne frühzeitige Bruchgefahr standhält. Die Lösung besteht darin, daß sich bei Einleitung von Drehmomenten über die Wellenverzahnungen unter der Wirkung von Torsionskräf ten ein zentraler Teil des Mittelabschnitts von mindestens 25% der Länge der Welle als erstes gleichmäßig plastisch verformt, daß das polare Widerstandsmoment des zentralen Teils des Mittel abschnitts gegenüber dem minimalen polaren Widerstandsmoment der Endabschnitte um 3-20% geringer ist. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, daß das polare Widerstandsmoment des zentralen Teils des Mittelabschnitts von mindestens 25% der Länge der Welle konstant ist und unterhalb des minimalen polaren Widerstands moments der Endabschnitte der Welle liegt.

Aus der DE 40 10 900 C2 sind zwar bereits Hohlwellen bekannt, bei denen das polare Widerstandsmoment über der Länge der Welle nicht konstant ist. Hierbei ist jedoch nur auf halber Wellenlän ge ein relatives Minimum des polaren Widerstandsmoments vor gesehen, das aufgrund größeren Durchmessers zumindest in der Größenordnung der minimalen Widerstandsmomente der Wellenenden liegen wird und wobei der Ort dieses Minimums ebenso wie die obenerwähnten Nuten bei übermäßiger Belastung den Ort einer plastischen Verformung bilden wird mit den gleichen genannten Nachteilen der Verminderung des Arbeitsvermögens, das bei erneu ten Belastungen alsbald zum Bruch führt.

Demgegenüber wird bei einer Welle der vorliegenden Erfindung bei Überschreiten der Torsionselastizitätsgrenze der gesamte zen trale Teil des Mittelabschnitts mit niedrigem Widerstandsmoment gleichmäßig zu fließen anfangen, wodurch ein Bruch der Welle erst nach Erreichen eines großen Verdrehwinkels zwischen den Wellenenden unter plastischer Verformung erfolgen kann.

Es ist im besonderen vorgesehen, daß der Außendurchmesser des Mittelabschnitts einschließlich der axialen Enden konstant ist und daß Wandstärke und Durchmesser des zentralen Teils des Mit telabschnitts konstant sind.

Ferner ist vorgesehen, daß Übergangsbereiche zwischen Mittel abschnitt und Endabschnitte stetige Durchmesser- und Wand stärkenänderungen darstellen, um Belastungsspitzen jeglicher Art zu vermeiden.

Es ist weiterhin vorgesehen, daß die äußere Oberfläche von Mit telabschnitt und Übergangsabschnitten nutenfrei ist, um sicher zustellen, daß der torsionsweichste Teil im Bereich des Mittelabschnitts liegt und keine sonstige Schwächung im Bereich der Übergangsabschnitte vorkommt.

Ebenso ist vorgesehen, daß die Welle aus einem wärmebehandelten Material gleicher Festigkeit besteht.

Des weiteren ist vorgesehen, daß bei einer Verwendung der Welle als mit Drehgelenken und Faltenbälgen komplettierte Antriebs welle im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs die Faltenbälge mit ihren jeweils kleineren Bundabschnitten auf den axial äußeren Enden des Mittelabschnittes formeingriffsfrei aufsitzen. Hiermit ist eine Verlängerung des torsionsweichen Teils des Mittelab schnitts bis an oder unter die Faltenbälge möglich, wodurch die Erfindung in größtmöglichem Umfang ausgeschöpft wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach stehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Monobloc-Hohlwelle im Längsschnitt in Korrelation mit einem zugeordneten Diagramm des Verlaufs des polaren Widerstandsmomentes (W_P) über der Wellenlänge (L).

Fig. 2 zeigt zwei Seitenwellen im Längsschnitt umfassend eine Monobloc-Hohlwelle, zwei mit dieser verbundenen Gleichlaufdrehgelenke und abdichtende Faltenbälge

a) gemäß der Erfindung,
b) nach dem Stand der Technik.

Fig. 3 zeigt ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm/Bruchdiagramm, in dem das Drehmoment über dem Verdrehwinkel zwischen den Wellenenden dargestellt ist,

a) für eine Welle nach Fig. 2a,
b) für eine Welle nach Fig. 2b.

In Fig. 1 sind an einer Monobloc-Hohlwelle 11 ein Mittelab schnitt 12, zwei Endabschnitte 13, 14 sowie zwei Übergangsab schnitte 15, 16 erkennbar. An den axial äußeren Enden der End abschnitte 13, 14 sind äußere Wellenverzahnungen 17, 18 vorge sehen. An den Enden der Wellenverzahnungen 17, 18 sind Einstiche 19, 20 für Sicherungsringe 19, 20 ausgebildet. Der Mittelab schnitt 12 hat ein im mittleren Teil 12' geringstes gleichblei bendes Widerstandsmoment, das über etwa 40% der Gesamtlänge der Welle reicht und eine gleichbleibend dünne Wanddicke sowie einen gleichbleibenden Durchmesser hat. Die anschließenden Endbereiche 12", 12''' des Mittelabschnitts setzen den Außendurchmesser des Mittelabschnitts fort, während unter Vergrößerung der Wandstärke zu den axialen Enden hin der Innendurchmesser abnimmt. Die bei den Endabschnitte 13, 14 haben gegenüber dem Mittelabschnitt 12 deutlich größere Wandstärke und ein etwas geringeren Außendurchmesser, der mit Ausnahme der Wellenverzah nungen 17, 18 und Einstiche 19, 20 wiederum konstant ist. Etwa konische Übergangsbereiche 15, 16 gleicher Wandstärke verbinden die Endabschnitte 13, 14 mit dem Mittelabschnitt 12. Im Diagramm ist deutlich sichtbar, daß der Wert des Widerstandsmomentes im Teil 12' des Mittelabschnitts 12 gleichbleibend gering ist, verglichen mit dem der beiden Endabschnitte 13, 14 und insbeson dere um etwa 20% unter diesem liegt. Die äußeren Teile 12", 12''' des Mittelabschnitts zeigen aufgrund zunehmender Wand stärke einen Anstieg des Widerstandsmomentes. Die Übergangs bereiche 15, 16 stellen einen nicht stetigen Übergang zwischen den zuvor genannten Bereichen 12 und 13, 14 hinsichtlich des Widerstandsmoments dar.

Die Fig. 2a, 2b werden nachstehend zunächst gemeinsam be schrieben, wobei sich wesentliche Unterschiede in der Ausgestal tung der Monobloc-Hohlwelle 11 gemäß der Erfindung im Vergleich zur Monobloc-Hohlwelle 31 nach dem Stand der Technik erkennen lassen. Ein Mittelabschnitt 12 der erfindungsgemäßen Monobloc- Welle 11 ist deutlich länger und von geringerer Wandstärke (a) als ein Mittelabschnitt 32 einer Monobloc-Welle 31 nach dem Stand der Technik (b) bei vergleichbarer Länge und vergleich baren Wellenverzahnungen. Auf die Monobloc-Wellen 11, 31 sind an den Enden jeweils Gleichlaufdrehgelenke 23, 24, 43, 44 aufge schoben, denen zum Mittelabschnitt hin Blechkappen 25, 26, 45, 46 aufgesetzt sind. Auf diese sind wiederum Faltenbälge 27, 28, 47, 48 aufgezogen, die mit ihrem kleineren Bund auf dem Mittel abschnitt 12 (a) bzw. in Nuten auf den Endabschnitten 33, 34 (b) sitzen.

Anhand der Linie a in Fig. 3 ist dargestellt, daß eine Welle bei Überschreiten des elastischen (proportionalen) Bereiches 51 einen langgestreckten Bereich 52 der plastischen Verformung unter erheblichen Verdrehwinkels bei nur geringfügig ansteigen dem Drehmoment liefert, bis es zum Bruchabfall 53 kommt. Dem gegenüber ist nach der Linie b eine Welle durch einen etwas steileren Proportionalbereich 61 ausgezeichnet, an den sich bei relativ etwas höherem Drehmoment ein Bereich 62 der plastischen Verformung anschließt, der jedoch sehr frühzeitig zum Bruchab fall 63 führt.

Claims

1. Monobloc-Hohlwelle (11) zur Übertragung von Drehmoment mit zwei Endabschnitten (13, 14), die an ihren axial äußeren Enden Wellenverzahnungen (17, 18) zur Einleitung von Drehmomenten aufweisen, und mit einem Mittelabschnitt (12), der gegenüber den Endabschnitten (13, 14) eine geringere Wandstärke aufweist, wobei das polare Widerstandsmoment (W_p12) des Mittelabschnitts (12) der Welle (11) unterhalb des polaren Widerstandsmoments (W_P13,14) der Endabschnitte (13, 14) der Welle (11) liegt, dadurch gekennzeichnet,
daß sich bei Einleitung von Drehmomenten über die Wellen verzahnungen unter der Wirkung von Torsionskräften ein zentraler Teil (12') des Mittelabschnitts (12) von minde stens 25% der Länge der Welle (11) als erstes gleichmäßig plastisch verformt und
daß das polare Widerstandsmoment (W_P12) des zentralen Teils (12') des Mittelabschnitts (12) gegenüber dem minimalen polaren Widerstandsmoment der Endabschnitte (13, 14) um 3- 20% geringer ist.

2. Hohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polare Widerstandsmoment (W_P12) des zentralen Teils (12') des Mittelabschnitts (12) von mindestens 25% der Länge der Welle (11) konstant ist und unterhalb des minima len polaren Widerstandsmoments (W_P13,14) der Endabschnitte (13, 14) der Welle (11) liegt.

3. Hohlwelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Mittelabschnitts (12) ein schließlich der axial äußeren Enden (12", 12''') konstant ist.

4. Hohlwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Wandstärke und Durchmesser des zentralen Teils (12') des Mittelabschnitts (12) über dessen Länge konstant sind.

5. Hohlwelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Übergangsbereiche (15, 16) zwischen Mittelabschnitt (12) und Endabschnitten (13, 14) stetige Durchmesser- und Wandstärkenänderungen darstellen.

6. Hohlwelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre äußere Oberfläche im Mittelabschnitt (12) und in den Übergangsbereichen (15, 16) nutenfrei ist.

7. Hohlwelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle aus einem warmbehandelten Material gleicher Festigkeit besteht.