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Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, aus faserverstärktem
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Kunststoff mit festgeklemmten Anschlußelnrichtungen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, aus faserverstärktem
Kunststoff, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet besonders Anwendung
bei Gelenkwellen für Motorfahrzeuge, wie Kardanwellen oder dergleichen im Automobil
bau.
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Die Erfindung geht von einer bekannten Kardanwellenkonstruktion aus,
die nebst einem Verfahren zu deren Herstellung in DT-OS 28 18 167 gezeigt und beschrieben
ist. Bei dieser bekannten Antriebswelle sind an Jedem Ende einer röhrenförmigen,
aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Welle einander diametral gegenüberliegende
Löcher mit darin einsetzbaren Achslagern vorgesehen. In diesen ist Je ein kreuzförmiges
Kopfteil eines Kreuzgelenkes gelagert, wobei an den Kreuzgelenkzapren Jedes dieser
Kopf- oder Kupplungsteile an den Enden der Welle Je ein das Kreuzgelenk ergänzendes
sowie zur weiteren Ubertragung des Drehmomentes eingerichtetes Jochteil schwenkbar
angebracht ist. Obgleich die so konstruierte Gelenkwelle an ihren Enden verstärkt,
also mit größerer Wanddicke des faserverstärkten Kunststoffteiles ausgebildet ist,
lassen sich hiermit nur relativ geringe Leistungen mit Sicherheit übertragen, wobei
auch die Lebensdauer solcher Wellen gerlnger als Jene der bislang üblichen Stahlwellen
ist.
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Im Autmobilbau werden zur Zeit Stahlrohre als Kardanwellen für die
Kraftübertragung des Motors im Vorderteil des Fahrzeuges zu den Hinterradachsen
eingesetzt, die aufgrund des relativ hohen Gewichtes und der hohen Umdrehungsgeschwindig
keit (bis 7000 Upm) aus zwei Teilen gefertigt sind. Bel diesen Kardanwellen treten
nämlich bei großen Umdrehungsgeschwindigkeiten wegen ihres Gewichtes und der nicht
zu vermeidenden Unwuchten stärkere Ausbiegungen der Welle und somit unzulässige
mechanische Belastungen des Fahrzeuges, gefährliche Schwingungen und Geräusche auf.
Daher werden diese Kardanwellen zumeist in der Mitte geteilt und in einem dort vorgesehenen
Zwischenlager gelagert.
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Dadurch ergibt sich Je nach der zu übertragenden Leistung und dem
frelen Abstand zwischen den durch die Welle kraftübertragend verbundenen Antriebs-
bzw. Abtriebs-Aggregaten ein zwei- oder mehrgliedriger Wellenzug, mit entsprechender
Anzahl von Kreuzgelenken und Zwischenlagern. Demzufolge verringert sich aber der
Wirkungsgrad der Leistungsübertragung, woraus sich ein merklich höherer Brennstoffverbrauch
zwangsläufig ergibt. Daher wurde versucht, da: Gesamtgewicht der Kardanwelle durch
den Einsatz von Aluminiumrohren zu reduzieren. Wegen des kleineren Elastizitätsmoduls
von Aluminium und dessen dementsprechend geringeren Steifigkeit kann jedoch auch
bei Aluminiumwellen auf das bisherige Konstruktionsprinzip der Wellenteilung und
Zwischenlagerung nicht verzichtet werden.
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Erst durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffrohren, die
bei geringerem Gewicht hohe Steifigkeit besitzen, kann die Gelenkwelle einstückig
und ohne Zwischenlagerung gefertigt werden. Bezüglich einer solchen Welle aus faserverstärktem
Kunststoff mit Gelenk-Übertragungsstücken an den Enden wurden bereits verschiedene
Vorschläge gemacht, wobei es sich um das Bewickeln eines Teiles der mit einem Gelenkjoch
versehenen Endstücke beim Aufbau der faserverstärkten Komposit-Welle
handelt.
Solche Gelenkwellen müssen Jedoch aus Gründen der wirtschaftlichen Fertigung in
großen Stückzahlen, mit vorgegebenen Längenabmessungen sowie - bezüglich der Gestaltung
und Bemessung ihrer Endstücke - einheitlich gefertigt werden.
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Es ist jedoch erwünscht, Antriebswellen aus faserverstärktem Kunststoff,
wie insbesondere Celenkwellen, auch für spezielle Zwecke, beispielsweise bei in
geringen Stückzahlen gefertigten Motorfahrzeugen hoher Leistung, wie Omnibusse,
Lastkraftwagen oder Spezialfahrzeuge für die Landwirtschaft, Müllabfuhr, Feuerwehr,
militärische Zwecke u.ä. wirtschaftlich einzusetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faserverstärkte Komposit-Welle
mit entsprechenden Anschlußeinrichtungen anzugeben, die sich zur Übertragung großer
Drehmomente bzw. Leistungen elgnet, mechanisch besonders fest und dementsprechend
langzeitig beständig und darüber hinaus auch in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich
erstellbar sowie mit geringem Aufwand für spezielle Erfordernisse einzurichten bzw.
gegebenenfalls umzurüsten ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene
Erfindung gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antriebswelle
ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 6, von welchen der Anspruch 2 auf die
Ausbildung der Teile der Anschlußeinrichtung jedes Wellenendes, einschließlich des
zugehörigen Ubertragungsteiles für deren konzentrischen Zusammenbau gerichtet ist.
Die Ansprüche 5 und 4 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des Zylinderkörpers
jeder Anschlußeinrichtung mit einer konzentrischen Ringnut bzw. einem offenen Ringhohlraum,
und die Ansprüche 5 und 6 vorteilhafte Ausbildungen des Übertragungsteiles für den
festen Anschluß seiner Verbindungseinrichtung, wie Jochteil eines Kreuzgelenkes,
oder dergleichen mittels Schweißverbindung.
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Die erfindungsgemäße Antriebswelle besitzt den großen Vorteil ihres
geringen Gewichtes bei gleichzeitiger hoher Steifigkeit, Biegefestigkeit und Drehfestigkeit,
so daß auch bei hohen Drehzahlen keine zusätzlichen Belastungen ihrer Lagerung durch
unzulässige Unwuchten auftreten. Sie bietet zugleich gegenüber allen bisher bekannt
gewordenen Komposit-Wellen dieser Art den großen Vorteil, daß von einem mit Standard-Durchmesser
und -Wanddicke in beliebiger Lange vorgefertigten Rohrkörper das rohrförmige Wellenhauptteil
in der jeweils erforderlichen Länge abgeschnitten und in einem getrennten Vorgang
mit der Jeweils erforderlichen Endarmatur ausgerüstet werden kann. Da die vorzugsweise
aus Leichtmetall-Gußteilen bestehende Anschlußeinrichtung an Jedem Wellenrohrende
festgeklemmt ist, läßt sich die Welle, Je nach dem vorgesehenen Verwendungszweck,
mit entsprechenden Anschlußeinrichtungen, einschließlich deren Ubertragungselement
wie Kreuzgelenk-Jochteil, Kupplungsflansch, genuteter Wellenstummel oder dergleichen
in einem getrennten Vorgang ausrüsten. So können mit dem Jochteil eines Kreuzgelenkes
einstückige Anschlußeinrichtungen an einer Welle beliebiger Länge dauerhaft festgeklemmt
werden, für deren Einsatz als - nach deren Zusammenbau - einstückige, vom Motorgetriebe
zur angetriebenen Hinterachse ohne Zwischenlagerung durchgehende Kardanwelle. Diese
Antriebswelle kann aber auch als Spezial welle mit unterschiedlicher Ausbildung
des Übertragungsteiles an deren jetlcnl Ende bzw. der daran angeschlossenen, insbesondere
angeschweißten Verbindungseinrichtung ausgerUstet sein.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Anschlußeinrichtung gewährleistet
den festen und dauerhaften Sitz derselben am betreffenden Wellenende, derart, daß
sich mit der so bestückten Antriebswelle dauerhaft große Drehmomente bzw. Leistungen
mit Sicherheit übertragen lassen, ohne Gefahr von Verschleißerscheinungen an der
Welle. Diese kann daher nach Außerbetriebnahme eines mit ihr ausgerüsteten Fahrzeuges
wieder verwendet oder auch mit gleichartigen Anschlußeinrichtungen, welche zweckentsprechend
mit anderen Übertragungseinrichtungen verbunden sind, umgerüstet werden.
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Es versteht sich, daß Teile der Anschlußeinrichtung aus Stahl erstellt
und für bestimmte Zwecke in Kombination mit Letchtmetallteilen eingesetzt werden
können. Ebenso gut kann bei besonderen Festigkeitserfordernissen die gesamte Anschlußeinrichtung
aus Stahl erstellt werden, wobei die geringfügige Erhöhung des Gesamtgewichtes der
Antriebswelle unerheblich ist, im Vergleich zu der großen Gewichtsersparnis an der
Welle selbst, deren Gewicht je Längeneinheit nur etwa ein Viertel desjenigen einer
gleichwertigen Hohlwelle aus Stahl und nur etwa zwei Drittel einer solchen aus Aluminium
beträgt. Dennoch weist die erfindungsgemäße Welle eine wesentlich höhere Steifigkeit
und Biegefestigkeit als Stahl- oder Aluminiumwellen gleicher Abmessungen auf.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei weitere Einzelheiten und Vorteile derselben
ausgeführt sind.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen mittig unterbrochenen Längsschnitt
durch eine Antriebswelle nach der Erfindung; Fig. 2 in vergrößerter Darstellung
einen Längsschnitt durch ein Wellenende und Fig. 3 in Stirnansicht ein Wellenende
ohne Übertragungseinrichtung.
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Wie in Fig. 1 gut zu erkennen ist, ist an Jedem Endabschnitt 2 einer
Hohlwelle 1 aus faserverstärktem Kunststoff Je eine Anschlußeinrichtung 5 festgeklemmt,
an welche in konzentrischer Ausrichtung eine Übertragungseinrichtung 14 angeschraubt
ist.
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Jede der Anschlußeinrichtungen 3 weist einen den betreffenden Endabschnitt
2 der Welle 1 umfassenden Stützring 4, sowie im Inneren dieses Endabschnittes einen
Zylinderkörper 6 auf, der aus wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder vier entsprechenden
Segmentstücken 5 zusammengesetzt ist.
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Im Zentrum des zusammengesetzten Zylinderkörpers 6 ist eine zentrale,
sich gegen außen verjüngende axiale Bohrung 7 vorgesehen, in welcher ein Kegelstift
8 mit Gewindefortsatz 9 so angeordnet ist, daß seine kegelige Außenfläche den die
Bohrung 7 begrenzenden Wandungsabschnitten der Segmentstücke 5 anliegt, wobei sein
Gewindefortsatz 9 auswärts vorragt, welcher eine Unterlegscheibe 10 und eine Mutter
11 trägt.
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Durch Festschrauben der Mutter 11 werden die Segmentstücke 5 radial
auswärts gegen die Innenfläche der Hohlwelle 1 gedrückt, wobei der diese im Endbereich
umfassende Stützring 4 einer Verformung der Welle entgegenwirkt und die hierbei
auftretenden Durckkräfte aufnimmt, welche so weit gesteigert werden können, bis
ein dauerhafter fester Sitz der Anschlußeinrichtung 3 am Wellenende 2 gewährleistet
ist.
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Aus den Segmentstücken 5 ist eine Anzahl axial ausgerichteter Gewindebohrungen
12 für die Schraubverbindung eines an das betreffende Wellenende anzuschließenden
Ubertragungstelles 14, insbesondere Fuß eines Kreuzgelenk-Jochteiles 28 oder eines
genuteten Wellenstummels 30 bzw. eines Kupplungsflansches oder dergleichen ausgenommen.
Auf diese Weise lassen sich entsprechend den Jeweiligen Erfordernissen beliebige
Ubertragungseinrichtungen 14 an der in der beschriebenen Weise an dem Endabschnitt
2 einer Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff festgeklemmten Anschlußeinrichtung
3 festschrauben.
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Zur Herstellung einer solchen Gelenkwelle wird von einem in beliebiger
Länge Jedoch mit genormter Querschnittsabmessung aus faserverstärktem Kunststoff
vorgefertigten Rohrhörper ein Stück der Jeweils erforderlichen Länge abgeschnitten
und an Jedem Ende mit der Anschlußeinrichtung 3 bestückt. Diese ist - nach Festziehen
der Schraubenmutter 11 - an dem betreffenden Wellenende unverrückbar festgeklemmt,
und somit ebenso wie die Welle selbst in der Lage, der zu übertragenden Leistung
entsprechende maximale Drehmoment an das festgeschraubte Ubertragungsteil 14 abzugeben.
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Zur Vorgabe einer genau zentrierten Lage aller Teile weist in einer
bevorzugten Ausführungsform der Anschlußeinrichtung 3 ihr Stützring 4 im Bereich
des äußeren Endes seiner Umfangsfläche 13 einen umlaufenden, vorzugsweise zweistufigen
Absatz 15 auf, wobei das Ubertragungsteil 14 in seinem rotationssymmetrischen Randbereich
mit einem vorragenden, dem Absatz 15 des Stützringes 4 angepaßten Zentrieransatz
16 versehen ist. Außerdem ist das Übertragungsteil 14 im zentralen Bereich seiner
Stirnfläche 35 mit einer etwa zylindrischen, den Gewindefortsatz 9 des Kegelstiftes
8 samt Unterlegscheibe 10 und Mutter 11 mit ausreichendem Spiel aufnehmenden Ausnehmung
14 ausgebildet. Diese ermöglicht den unmittelbaren Anschluß des Ubertragungsteiles
an die äußere Stirnfläche 20 der Anschlußeinrichtung 3, wie dies besonders gut in
Fig. 2 zu erkennen ist.
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Die in Fig. 3 gezeigte Stirnansioht der Anschlußeinrichtung 3, bei
abgenommenem Ubertragungsteil 14, läßt deutlich erkennen, daß der in das Innere
des Endabschnittes 2 der Hohlwelle 1 eingeführte Zylinderkörper 6 aus vier Segmentstücken
5 besteht, die zufolge des in deren Zentrum angeordneten Kegelstiftes 8 unter Bildung
von einander kreuzenden Spalträumen 32 so weit auseinander gedrückt werden, bis
sie an dem von Stützring 4 umfaßten Wellenendabschnitt 2 dauerhaft und unverrückbar
festgelegt sind.
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Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, ist aus der äußeren Stirnfläche
35 des Zylinderkörpers 6 eine zur Achse seiner zentralen Bohrung 7 konzentrische
Ringnut 18 ausgenommen, wobei das Übertragungsteil 14 mit einem dieser entsprechenden,
umlaufenden Vorsprung 19 seiner Stirnfläche 20 versehen ist.
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Die äußere Stirnfläche 21 des umlaufenden Vorsprunges 19 ist gleich
der vom Zentrum abgewendeten Begrenzungsfläche 22 der Ringnut 18 konisch ausgebildet,
so daß sich das Übertragungsteil 14 selbstzentrierend an der Anschlußeinrichtung
5 festschrauben
läßt und die vorgegebene konzentrische Relativlage
dieser Teile mit Sicherheit gewährleistet ist. Hierbei sind die Gewindebohrungen
12 des Zylinderkörpers 6 außerhalb seiner Ringnut 18 angeordnet, um eine möglichst
gute Zugänglichkeit der Befestigungsschrauben 36 zu ermöglichen. Diese werden in
die Schraubenbohrungen 12 des Zylinderköerpers 6 eingeschraubt und hierbei so fest
angezogen, daß die Mitnahme des Übertragungsteiles 14 durch Reibungsschluß gewährleistet
ist. Die Schrauben 36 sind vorzugsweise mit einem zylindrischen Schraubenkopf und
Innen-Sechskant ausgebildet. Vorwiegend aus Gewichts-Ersparnisgründen ist aus dem
Zylinderkörper 6 ein gegen dessen innere Stirnfläche 23 offener Ringhohlraum 24
mit einer umlaufenden Rille 26 seiner inneren Begrenzungsfläche 27 ausgenommen,
welche zur Aufnahme eines die vorzugsweise 4 Segmentstücke 5 des Zylinderkörpers
6 zusammenhaltenden elastischen Ringes 25, z.B. Spiralfeder- oder Gummiring, dient.
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Demzufolge bilden die so zusammengehaltenen Segmentstücke 5 als Zylinderkörper
6 eine für deren Lagerung und Montage gut geeignete Einheit. Sie werden Jedoch bei
deren Festklemmen am Wellenende zufolge der radialen Komponente aus dem Anzug des
Kegelstiftes 8 auseinandergedrückt und voneinander unter Bildung der Spalträume
32 getrennt.
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Die Fertigung der Teile, aus denen die Anschlußeinrichtung 3 zusammengesetzt
ist, kann in solchen Stückzahlen erfolgen, daß hiermit auch die Herstellung einer
speziellen "maßgeschneiderten" Gelenkwelle oder dergleichen rentabel ist.
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Und darüberhinaus die Möglichkeit zu schaffen, an die so anschraubbar
ausgebildeten Ubertragungsteile 14 unterschiedlich gestaltete oder bemessene Verbindungseinrichtungen
wie etwa das Jochteil 28 eines Kreuzgelenkes, oder auch einen genuteten Wellenstummel
30, Kupplungsflansch oder dergleichen anschließen zu können, ist bei einer bevorzugten
Ausführungsform wenigstens eines der Übertragungsteile 14 jeder Welle 1
an
seinem freien Ende mit einem konzentrischen ringförmigen Fortsatz 33 ausgebildet,
an dem die betreffende Verbindungseinrichtung 30 fest angeschweißt oder hart angelötet
ist.
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Es versteht sich, daß auf den mit dem Übertragungsteil 14 einstückigen
oder daran angeschweißten, genuteten Wellenstummel 30 ein mit entsprechender Bohrung
ausgebildetes Jochteil 28 eine Kreuzgelenkes aufgeschoben werden kann, welches selbsttätige
Längenänderungen der Welle 1 ermöglicht.
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Für die angeschweißte Ausführungsform des Wellenstummels 30 oder einer
sonstigen Verbindungseinrichtung ist es vorteilhaft, wenn der Fortsatz 33 mit einer
gegen außen offenen zentralen Ausnehmung 29 ausgebildet ist, in welche ein Zentrieransatz
31 der anzuschweißenden Verbindungseinrichtung 30 passend eingesetzt werden kann.
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Zufolge dieser Ausbildung lassen sich mit ansonsten völlig gleichen
Teilen der Anschlußeinrichtung 3, einschließlich des angeschraubten Übertragungsteiles
14 Antriebswellen 1 mit verschiedenen Verbindungseinrichtungen 28, 30 eines oder
Jedes ihrer Enden herstellen. Diese Möglichkeit erweitert in erheblichem Maße die
vielfältige Einsetzbarkeit dieser Antriebswelle für sehr unterschiedliche Zwecke,
die die Ubertragung hoher Leistungen mit möglichst geringem Eigengewicht erfordern,
wobei zugleich durch die vielseitige Einsetzbarkeit dieser Antriebswelle und die
Austauschbarkeit ihrer Endarmaturen zugleich auch die Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes
gewährleistet ist.
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L e e r s e i t e