DE2950581C2 - Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, aus faserverstärktem Kunststoff mit festgeklemmten Anschlußeinrichtungen - Google Patents

Description

Wellenteilung und Zwischenlagerung nicht verzichtet werden.

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. Es ist jedoch erwünscht, Antriebswellen aus faserverstärktem Kunststoff, wie insbesondere Gelenkwellen, 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faserverstärkte Komposit-Welle mit entsprechenden Anschlußeinrichtungen anzugeben, die sich zur Übertragung großer Drehmomente bzw. Leistungen eignet, 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 Einrichtung gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antriebswelle ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4, von welchen die Ansprüche 2 und 3 bevorzugte Ausführungsformen des Zylinderkörpers jeder Anschlußeinrichtung mit einer konzentrischen Ringnut am .-»nschlußseitigen bzw. einem offenen Ringhohlraum am wellenseitigen Ende betreffen. Der Anspruch 4 schließlich betrifft eine vorteilhafte Ausbildung des Übertragungsteiles für den festen Anschluß seiner Verbindungseinrichtung, wie dem Jochteil eines Kreuzgelenkes oder einem genuteten Wellenstummel, mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung.

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 bekanntgewordenen Komposit-Wellen dieser Art den großen Vorteil, daß von einem mit Standard-Durchmesser und -Wanddicke in beliebiger Länge 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 Übertragungselement wie Kreuzgelenk-Jochteil, Kupplungsflansch, genuteter Wellenstummtfl 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 angetriebe nen Hinterachse ohne Zwischenlagerung durchgehende Kardanwelle. Diese Antriebswelle kann aber auch als Spezialwelle mit unterschiedlicher Ausbildung des Übertragungsteiles an deren jedem Ende bzw. der daran angeschlossenen, insbesondere angeschweißten Verbindungseinrichtung ausgerüstet sein.

ίο 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.

Es versteht sich, daß Teile der Ar-:chlußeinrichtung aus Stahl erstellt und für bestimmte Zwe :ke in Kombination mit Leichtmetallteilen eingesetzt werden können. Ebenso gut kann bei besonderen Festigkeitserfordernissen die gesamte Anschlußeinrichtung aus Stahl erstellt v-erden, 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.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei weitere Einzelheiten und Vorteile derselben aufgeführt sind. In der Zeichnung ze'igl

Fig. 1 einen mittig unterbrochenen Längsschnitt durch eine Antriebswelle nach der Erfindung,

F ι g. 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch ein Wellenende und

Fig.3 in Stirnansicht ein Wellenende ohne Übertragungseinrichtung.

Wie in Fig. 1 gut zu erkennen ist, ist an jedem Endabschnitt 2 einer Hohlwelle 1 aus faserverstärktem Kunststoff je eine Anschlußeinrichtung 3 festgeklemmt, an welche in konzentrischer Ausrichtung eine Übertragungseinrichtung 14 angeschraubt ist. Jede der Anschlußeinrichtungen 3 weist einen den betreffenden Endabschnitt 2 der Welle 1 umfassenden Stützring 4, sowie im Inneren dieses Endabschnittes einen Zylinderkcrpei 6 auf, der aus wenigstens zwei, vorzugsweise drei oder vier entsprechenden Segmentstücken 5 zusammengesetzt ist.

Im Zentrum des zusammengesetzten Zylinderkörpers 6 ist eine zentrale, sich gegen außen verjüngende axiale Bohrung 7 vorgesehen, in welcher ein Kegelstift 8 mit

eo Gewindefortsatz 9 so angeordnet ist, daß seine kegelige Außenfläche den die Bohrung 7 begrenzenden Wanduhgsabschnitten der Segmentstücke 5 anliegt, wobei sein Gewindefortsatz 9 auswärts vorragt, welcher eine Unterlegscheibe 10 und eine Mutter U trägt. Durch Festschrauben der Mutter 11 werden die Segmentstükke 5 radial auswärts gegen die Innenfläche der Hohlwelle 1 gedrückt, wobei der diese im Endbereich umfassende Stützring 4 einer Verformung der Welle entgegen-

wirkt und die hierbei auftretenden Druckkräfte aufnimmt, welche so weit gesteuert werden können, bis ein dauerhafter fester Sitz der Anschlußeinrichtung 3 am Wellenstummel 2 gewährleistet ist.

Aus den Segmentstücken 5 ist eine Anzahl axial ausgerichteter Gewindebohrungen 12 für die Schraubverbindung eines an das betreffende Wellenende anzuschließenden Übertragungsteiles 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 Übertragungseinrichtungen 14 an der in der beschriebenen Weise an dem Endabschnitt 2 einer Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff festgeklemmten Anschlußeinrichtung 3 festschrauben.

Zur Herstellung einer solchen Gelenkweile wird von einem in beliebiger Länge jedoch mit genormter Quer

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ordnet, um eine möglichst gute Zugänglichkeit der Befestigungsschrauben 36 zu ermöglichen. Diese werden in die Schraubenbohrungen 12 des Zylinderkörpers 6 eingeschraubt und hierbei so fest angezogen, daß die Mitnähme 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

ίο 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. Demzufolge bilden die so zusammengehaltenen Segmentstücke 5 als Zylinderkörper 6 eine für deren Lagerung und Montage gut geeignete Einheit. Sie werden jedoch bei deren FestriiciTiiTicn 5m TTcucncfiuc ZüiOigc ucf fäuiäicn Komponente aus dem Anzug des Kegelstiftes 8 auseinandergedrückt und voneinander unter Bildung der Spalträume 32 getrennt.

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. Um darüber hinaus die Möglichkeit zu schiffen, an die so anschraubbar ausgebildeten Übertragungsteile 14 unterschiedlich gestaltete oder bemessene Verbindungseinrichtungen wie etwa das Jochteil 28 eines Kreuzgelenkes, einen genuteten Wellenstummel 30 oder einen Kuppluvrgsflansch, anschließen zu können, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens eines der Übertragungsteile 14 jeder

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vorgefertigten Rohrkörper 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 Drehmomente an das festgeschraubte Übertragungsteil 14 abzugeben.

Zur Vorgabe einer genau zentrierten Lage aller Teile weist der Stützring 4 der Anschlußeinrichtung 3 im Bereich des äußeren Endes seiner Umfangsfläche 13 einen umlaufenden, vorzugsweise zweistufigen Absatz 15 auf, wobei das Übertragungsteil 14 in seinem rotationssymmetrischen Randbereich mit einem vorragenden, dem

Absatz 15 des Stützrings 4 angepaßten Zentrier-Ansatz 35 Welle 1 an seinem freien Ende miT einem konzentri-16 versehen ist. Außerdem ist das Übertragungsteil 14 sehen ringförmigen Fortsatz 33 ausgebildet, an dem die im zentralen Bereich seiner Stirnfläche 35 mit einer et- betreffende Verbindungseinrichtung 30 mittels der wa zylindrischen, den Gewindetortsatz 9 des Kegelstif- Naht 34 fest angeschweißt oder hart angelötet ist. Es tes 8 samt Unterlegscheibe 10 und Mutter 11 mit ausrei- versteht sich, daß auf den mit dem Übertragungsteil 14 chendem Spiel aufnehmenden Ausnehmung 14 ausge- 40 einstückigen oder daran angeschweißten, genuteten bildet. Diese ermöglicht den unmittelbaren Anschluß Wellenstummel 30 eirr mit entsprechender Bohrung ausdes Übertragungsteiles an die äußere Stirnfläche 20 der gebildetes Jochteil 28 eines Kreuzgelenkes aufgescho-Anschlußeinrichtung 3, wie dies besonders gut in F i g. 2 ben werden kann, welches selbsttätige Längenänderunzu erkennen ist gen der Welle 1 ermöglicht Für die angeschweißte Aus-

Die in Fig. 3 gezeigte Stirnansicht der Anschlußein- 45 führungsform des Wellenstummels 30 oder einer sonstirichtung 3, bei abgenommenem Übertragungsteil 14, gen Verbindungseinrichtung ist es vorteilhaft, wenn der laßt deutlich erkennen, daß der in das Innere des Endab- Fortsatz 33 mit einer gegen außen offenen zentralen schnittes 2 der Hohlwelle 1 eingeführte Zylinderkörper Ausnehmung 29 ausgebildet ist, in welche ein Zentrier-6 aus vier Segmentstücken 5 besteht die zufolge des in ansatz 31 der anzuschweißenden Verbindungseinrichderen Zentrum angeordneten Kegelstiftes 8 unter BiI- 50 tung 30 passend eingesetzt werden kann,
dung 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.

Wie aus den F i g. 1 und 2 ersichtlich, ist aus der äußeren Stirnfläche 20 des Zylinderkörpers 6 eine zur Achse seiner zentralen Bohrung 7 konzentrische Ringnut 18 ausgenommen, und das Übertragungsteil 14 ist mit einem dieser entsprechenden, umlaufenden Vorsprung 19 seiner Stirnfläche 35 versehen. Die äußere Stirnfläche 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 3 festschrauben läßt und die vorgegebene konzenirische Relativlage dieser Teile mit Sicherheit gewährleistet ist Hierbei sind die Gewindebohrungen 12 des Zylinderkörpers 6 außerhalb seiner Ringnut i8 ange-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 Ersetzbarkeit dieser Antriebswelle für sehr unterschiedliche Zwecke, die die Übertragung hoher Leistungen mit möglichst geringem Eigengewicht erfordern, wobei zugleich durch die vielseitige Ersetzbarkeit dieser Antriebswelle und die Austauschbarkeit ihrer Endarmaturen zugleich auch die Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes gewährleistet ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Patentansprüche: Obertragungsteile (14) an seinem freien Ende mit einem zentrisch angeordneten, ringförmigen Fort-

1. Antriebswelle, insbesondere Gelenkwelle, aus satz (33) mit einer gegen außen offenen, zentralen faserverstärktem Kunststoff mit an den rohrförmi- 5 Ausnehmung (29) ausgebildet ist, in welche ein Zen-

. gen Enden eingebauten drehmomentübertragenden trier-Ansatz (31) einer anzuschließenden Verbin-Anschlußeinrichtungen, deren jede im Inneren des dungseinrichtung, wie das Jochteil (28) eines Kreuzbetreffenden Endabschnittes der Welle einen aus gelenkes oder ein genuteter Wellenstummel (30), wenigstens zwei Segmentstücken Zusammengesetz- passend eingesetzt ist, die an dem Fortsatz (3?) angeten, radial aufspreizbaren Zylinderkörper mit einer io schweißt oder hart angelötet ist
zentralen, sich gegen außen verjüngenden axialen

Bohrung und einem darin angeordneten Kegelstift

mit Gewindefortsatz, Unterlegscheibe und Mutter
aufweist, wobei die Endabschnitte der Welle außen

über den ganzen Umfang gegen die von den Zylin- 15 Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebswelle, derkörpern beim Aufspreizen auf die Rohrwandung insbesondere Gelenkwelle, aus faserverstärktem Kunstausgeübte Radialkraft abgestützt sind, dadurch stoff, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie fingekennzeichnet, daß det besonders Anwendung bei Gelenkwellen für Motorfahrzeuge, wie Kardanwellen oder dergleichen im Auto-

a) die SegEientstücke (5), welche an der Innenflä- 20 mobilbau.

ehe der Jtohlwelle (1) unmittelbar anliegen, axi- Die Erfindung geht von einer bekannten Kardanwel-

al ausgerichtete Gewindebohrungen (12) für die lenkonstruktion aus, die nebst einem Verfahren zu de-

Schraubverbindung eines an das betreffende ren Herstellung in DE-OS 28 18 167 gezeigt und be-

Wellenende angeschlossenen Übertragungstei- schrieben ist Bei dieser bekannten Antriebswelle sind

les (14), insbesondere des Fußes eines Kreuzge- 25 an jedem Ende einer röhrenförmigen, aus faserverstärk-

lenk-Jochteiles (28) oder eines genuteten WeI- tem Kunststoff bestehenden Welle einander diametral

lenstummels (30), aufweisen; gegenüberliegende ,Löcher mit darin einsetzbaren

b) an jedem Wellenende ein den betreffenden Achslagern vorgesehen. In diesen ist je ein krcuzförmi-Endabschnitt (2) der Welie (1) umfassender, zy- ges Kopfteil eines Kreuzgelenkes gelagert, wobei an lindrischer Stützring (4) angeordnet ist, der an 30 den Kreuzgelenkzapfen jedes dieser Kopf- oder Kuppdem äuß?re.n Ende seiner Umfangsfläche (13) lungsteile an den Enden der Welle je-ein das Kreuzgeeinen umlaufenden, ein- oder mehrstufigen Zen- lenk ergänzendes sowie zur weiteren Übertragung des trier-Absatz (15) aufweist-ind daß Drehmomentes eingerichtetes Jochteil schwenkbar an-

c) das Übertragungstei; (i4) an seinem dem be- gebracht ist Obgleich die so konstruierte Gelenkwelle treffenden Wellenende benachbarten Ende in 35 an ihren Enden verstärkt also mit größerer Wanddicke seinem Randbereich mit einem vorragenden, des faserverstärkten Kunststoffteiles ausgebildet ist, lasdem Zentrier-Absatz (15) des Stützringes (4) an- sen sich hiermit nur relativ geringe Leistungen mit Sigepaßten Zentrier-Ansatz (16) sowie in seinem cherheit übertragen, wobei auch die Lebensdauer solzentralen Bereich mit einer zylindrischen, den eher Wellen geringer als jene der bislang üblichen Stahl-Gewindefortsatz (9) des Kegelstiftes (8) samt 40 wellen ist

Unterlegscheibe (10) und Mutter (11) mit Spiel Im Automobilbau werden zur Zeit Stahlrohre als

aufnehmenden Ausnehmung (17) ausgebildet Kardanwellen für die Kraftübertragung des Motors im

ist. Vorderteil des Fahrzeuges zu den Hinterradachsen eingesetzt, die aufgrund des relativ hohen Gewichtes und

2. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch ge- 45 der hohen Umdrehungsgeschwindigkeit (bis 7000 Upm) kennzeichnet, daß aus der äußeren Stirnfläche (20) aus zwei Teilen gefertigt sind. Bei diesen Kardanwellen des Zylinderkörpers (6) eine zur Achse seiner zen- treten nämlich bei großen Umdrehungsgeschwindigkeitralen Bohrung (7) konzentrische Ringnut (18) aus- ten wegen ihres Gewichtes und der nicht zu vermeidengenommen, und dieser entsprechend, das Übertra- den Unwuchten stärkere Ausbiegungen der Welle und gungstei! (14) mit einem umlaufenden Vorsprung 50 somit unzulässige mechanische Belastungen des Fahr-(19) seiner Stirnfläche (35) versehen ist, dessen äuße- zeuges, gefährliche Schwingungen und Geräusche auf. re Flankenfläche (21) gleich der vom Zentrum abge- Daher werden diese Kardanwellen zumeist in der Mitte wendeten Begrenzungsfläche (22) der Ringnut (18) geteilt und in einem dort vorgesehenen Zwischenlager konisch ausgebildet ist, wobei die Gewindebohrun- gelagert.

gen (12) des Zylinderkörpers (6) außerhalb seiner 55 Dadurch ergibt sich je nach der zu übertragenden

Ringnut (18) angeordnet sind. Leistung und dem freien Abstand zwischen den durch

3. Antriebswelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch die Welle kraftübertragend verbundenen Antriebsgekennzeichnet, daß aus dem Zylinderkörper (6) an bzw. Abtriebs-Aggregaten ein zwei- oder mehrgliedridem dem Wellenende abgewandten Ende ein gegen ger Wellenzug, mit entsprechender Anzahl von Kreuzdie innere Stirnfläche (23) des Zylinderkörpers offe- 60 gelenken und Zwischenlagern. Demzufolge verringert ner Ringhohlraum (24) ausgenommen ist, welcher an sieh aber der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung, seinerj-adial innen liegenden Begrenzungsfläche mit woraus sich ein merklich höherer Brennstoffverbrauch einer umlaufenden Rille (26) versehen ist, wobei in zwangsläufig ergibt Daher wurde versucht, das Geder Rille ein die Segmentstücke (5) des Zylinderkör- samtgewicht der Kardanwelle durch den Einsatz von pers (6) zusammenhaltender, elastischer Ring (25), 65 Aluminiumrohren zu reduzieren. Wegen des kleineren z. B. ein Spiralfeder- oder Gummiring, angeordnet Elastizitätsmoduls von Aluminium und dessen dementist. sprechend geringeren Steifigkeit kann jedoch auch bei

4. Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis Aluminium auf das bisherige Konstruktionsprinzip der