DE3740756A1

DE3740756A1 - Drehelastische hohlwelle

Info

Publication number: DE3740756A1
Application number: DE19873740756
Authority: DE
Inventors: Hans Heinrich Dipl In Welschof
Original assignee: Loehr and Bromkamp GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 1987-12-02
Filing date: 1987-12-02
Publication date: 1989-06-22
Also published as: FR2624225A1; JPH01206108A

Description

Die Erfindung betrifft eine drehelastische Hohlwelle zur Drehmomentübertragung, die zur Drehschwingungsdämpfung mit einem außen- oder innenliegenden drehsteifen Rohrkörper in koaxialer Anordnung unter Auftreten von Reibung kombiniert ist.

Wellen dieser Art sind in verschiedenen Ausführungen als Metall-Elastomer-Elemente bekannt, wobei der Kraftfluß der Drehmomentübertragung über das Elastomer-Element fließt.

Eine Welle der genannten Art ist aus der DE GM 17 75 854 bekannt, bei der eine Hohlwelle zweigeteilt und die jeweiligen Teilstücke gegeneinander verdrehbar ineinander gleitend geführt sind und bei dem eine gummielastische Hülse, die über diese Hohlwelle geschoben ist, unter Erzeugung von innerer Reibung und Oberflächenreibung auf diesen beiden Teilstücken festgelegt ist. Der wesentliche Nachteil ist hierbei, daß die mechanische Konstruktion kompliziert ist und einer exakten Lagerung und Führung bedarf und daß das volle Drehmoment über das hierzu an sich ungeeignete gummielastische Material geht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle der vorstehend genannten Art bereitzustellen, die bei einfachem konstruktiven Aufbau sehr drehweich gestaltet werden kann und zugleich ein hohes Maß an Dämpfung aufweisen kann. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Hohlwelle aus Faserverbundwerk stoff besteht und an beiden Enden unmittelbar mit Anschlußteilen zur Drehmomenteinleitung verbunden ist. Insbesondere bei der Verwirklichung von geringen Faserwickelwinkeln kann zur Abkopplung von Drehschwingungen eine sehr drehelastischen Welle mit einem hohen Dämpfungsgrad hergestellt werden.

Nach einer ersten günstigen konstruktiven Ausgestaltung ist dabei der außen- oder innenliegende drehsteife Rohrkörper an einem Ende mit einem der Anschlußteile drehfest verbunden. Auf diese Weise läßt sich der Rohrkörper günstig axial festlegen und kann zugleich als Wickelkern für die Hohlwelle von einem Ende aus dienen. Der feste Anschluß ist hierbei bevorzugt abtriebsseitig vorzusehen, so daß die Relativbewegungen zur Gleichlaufbewegung durch die von der Antriebsseite her rührenden Drehschwingungen von der Rohrkörpermasse im wesentlichen nicht mitausgeübt werden müssen.

Nach einer anderen möglichen Ausführung ist der außen- oder innenliegende drehsteife Rohrkörper an beiden Enden frei verdrehbar gegenüber beiden der Anschlußteile in die Hohlwelle eingesteckt. Hierdurch ergibt sich eine freie Ausgestaltungsmöglichkeit der Wellenenden und der Anschlußelemente. Die Relativbewegungen zwischen Hohlwelle und Rohrkörper haben bei Torsion der Hohlwelle etwa auf halber Länge einen Nulldurchgang und nehmen in beiden Richtungen zu den Enden hin zu.

In beiden vorgenannten Fällen läßt sich das größte Maß an Dämpfung erreichen, wenn sich der innen- oder außen liegende Rohrkörper im wesentlichen über die ganze Länge der Hohlwelle erstreckt. In der einfachsten der denkbaren Ausgestaltungen ist ein innenliegender Rohrkörper vorgesehen, der in flächiger, reibender Anlage in der Hohlwelle liegt. Der Vorteil liegt hierbei darin, daß der Rohrkörper, der vorzugsweise aus Metall besteht, durch die Anschlußelemente axial fixiert sein kann und gegen bleibende Verformung durch äußere Schläge geschützt ist. Ein wesentlicher Gesichtspunkt besteht allerdings auch darin, daß bei Torsion der Hohlwelle diese in geringem Maße im Querschnitt kontrahiert, so daß die Dämpfungswirkung gegenüber dem querschnittskonstanten Rohrkörper noch erhöht wird.

Der Rohrkörper muß nicht notwendigerweise zylindrisch sein, es ist ebenso eine konische Form vorstellbar, die in einen entsprechenden konischen Abschnitt der Hohlwelle eingesetzt ist und unter axialer Vorspannung an deren Innenwand anliegt. Der Vorteil ist hierbei darin zu sehen, daß über die Vorspannung der Feder die Dämpfungswerte in gewissem Maße einstellbar sind. An den konischen Abschnitt der Hohlwelle kann sich hierbei ein zylindrischer Abschnitt anschließen. Es sind jedoch auch zwei entgegengesetzt konische Abschnitte der Hohlwelle mit jeweiligen Rohrkörpern möglich, die über einen zylindrischen Zwischenabschnitt miteinander verbunden sein können.

Eine Abwandlung der vorgenannten Ausführungen die auf einem anderen Reibungsprinzip beruht, ist dadurch zu erzielen, daß ein innenliegender Rohrkörper an seinen beiden Enden gegenüber der Hohlwelle abdichtend anliegt und mit dieser einen dazwischenliegenden mit flüssigem Dämpfungsmaterial, insbesondere mit hochviskoser Flüssig keit gefüllten Ringraum einschließt. An die Stelle der Oberflächenreibung tritt hierbei die innere Reibung der Flüssigkeit. Im übrigen ist die Konstruktion vergleichbar. Auch hierbei kann eines der Enden des Rohrkörpers drehfest mit einem der Anschlußelemente verbunden sein, insbesondere wieder mit dem auf der Abtriebsseite liegenden; alternativ dazu können auch beide Enden des Hohlkörpers frei verdrehbar gegenüber der Hohlwelle geführt sein. Der zwischen beiden gebildete Ringraum kann in einfachster konstruktiver Ausführung zylindrisch sein, um gleiche Flüssigkeitsscherung über der Länge zu erzielen, ist auch eine vom festgelegten Ende ausgehende konische Erweiterung des Ringraumes bzw. bei zwei freien Enden des Rohrkörpers eine doppelkonische Ausformung möglich.

Nach einer weiteren konstruktiv leicht abgewandelten Ausgestaltung, die wie die vorstehend genannten auf der Wirkung innerer Reibung beruhen, kann ein innenliegender Rohrkörper mit radialem Abstand zur Rohrwelle koaxial ausgeführt sein und mit dieser einen dazwischenliegenden mit festem Dämpfungsmaterial, insbesondere mit kraft- oder stoffschlüssig angebundenem Gummi gefüllten Ringraum einschließen. Aufgrund des festen Zustands ist hierbei gegenüber den vorstehenden Ausführungen eine Abdichtung des Ringraums nicht erforderlich, das Wirkungsprinzip der inneren Reibung aufgrund der Scherkräfte bei der Torsion der Hohlwelle ist jedoch dasselbe. In größerem Maße als bei der Flüssigkeitsreibung ist es hierbei zur Einstellung gleichgroßer Scherkräfte über der Länge sinnvoll, den Ringraum doppelkonisch auszugestalten, wobei die beiden Enden des Rohrkörpers gegenüber der Hohlwelle frei verdrehbar sein müssen.

Bei erfindungsgemäßen Hohlwellen größerer Länge kann es zur Begrenzung der Massen und zur Beschränkung der Dämpfungswirkung sinnvoll sein, nur einen Teilabschnitt an einem Anschlußelement mit einem außen- oder innenliegenden Rohrkörper zur Dämpfung zu versehen, an den sich ein dreh- und biegesteifer Längsabschnitt der Hohlwelle mit größerem Durchmesser anschließt.

Eine Möglichkeit, die Dämpfungswirkung auch bei geringerer Länge des Rohrkörpers zu erhöhen, besteht darin, die Hohlwelle und den Rohrkörper im Querschnitt von der Kreisform geringfügiger abweichen zu lassen. Bei der Torsion der Hohlwelle gegenüber dem drehsteifen Rohrkörper wird hierdurch eine elastische Formänderungsarbeit erforderlich, die die Dämpfungswirkung erhöht. Dies bietet sich insbesondere bei direkter reibender Anlage zwischen Hohlwelle und Rohrkörper und bei der Verwendung von festem Dämpfungsmaterial zwischen beiden an.

Um Zerstörungen der Hohlwelle bei unzulässigen Belastungs spitzen zu vermeiden, ist nach einer bevorzugten Ausführung der außen- oder innenliegende Rohrkörper an dem oder den gegenüber der Hohlwelle frei verdrehbaren Enden mit Anschlägen gegenüber der Hohlwelle zur Drehwinkelbe grenzung versehen, wobei diese insbesondere mit Gegenan schlägen an den metallischen Anschlußelementen der Hohlwelle zusammenwirken.

Um die Wirkung der Anschläge weniger stoßartig einsetzen zu lassen, kann es von Vorteil sein, den außen- oder innenliegenden Rohrkörper axial geschlitzt auszuführen, wobei dies selbstverständlich nur in den Ausgestaltungen mit direkter Oberflächenreibung oder festem Dämpfungsmaterial möglich ist.

Zur Abkopplung von axialen Schwingungen ist es günstig, wenn zumindest eines der in die Hohlwelle eingefügten metallischen Anschlußteile Bestandteil eines axial verschieblichen Gleichlaufdrehgelenkes ist, insbesondere unmittelbar dessen Gelenkaußenteil darstellt.

In den beiden zuletzt genannten Ausführungen besteht, wie oben erwähnt, die Möglichkeit, nach einem erfindungsgemäßen Verfahren einen innenliegenden Rohrkörper bzw. das auf diesen aufgebrachte Dämpfungsmaterial unmittelbar als Wickelkern für die drehweiche, aus Faserverbundmaterial bestehende Hohlwelle zu verwenden.

Einzelheiten der Erfindungen ergeben sich aus den nachstehend beschriebenen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt eine Hohlwelle mit einem innen flächig anliegenden, an seinem einen Ende festgelegten Rohrkörper.

Fig. 2 zeigt eine Hohlwelle mit einem unter Einschluß einer hochviskosen Flüssigkeit an seinen beiden frei verdrehbaren Enden abdichtenden Rohrkörper.

Fig. 3 zeigt eine Hohlwelle mit einem unter Einschluß von festem Dämpfungsmaterial eingesetzten zylindrischen Rohrkörper.

Fig. 4 zeigt eine Hohlwelle mit einem unter Einschluß von festem Dämpfungsmaterial eingesetzten doppelkonischen Rohrkörper.

Fig. 5 zeigt eine Hohlwelle mit einem unter Einschluß von festem Dämpfungsmaterial eingesetzten an seinem einen Ende festgelegten Rohrkörper.

Fig. 6 zeigt eine Hohlwelle mit einem konischen Abschnitt und einem axial federbelasteten konischen Rohrkörper.

Fig. 7 zeigt eine Hohlwelle mit einem unter Einschluß von flüssigem Dämpfungsmedium eingesetzten kurzen Rohrkörper und sich im Anschluß daran erweiternden Wellenquerschnitt.

In den Zeichnungen sind sich entsprechende Einzelheiten mit den gleichen Ziffern belegt.

In Fig. 1 ist eine drehelastische Hohlwelle mit einem Wellenrohr 1 aus faserverstärktem Kunststoff dargestellt, das sich an einem Ende über einen Konusabschnitt 2 im Durchmesser geringfügig erweitert und in einen Befestigungsabschnitt 3 übergeht. In diesem Abschnitt ist ein Anschlußelement 4 eingesteckt, während ein Klemmelement 5 außen zur Festlegung aufgeschoben ist. Das Anschlußelement 4 ist als Gelenkaußenteil eines weiterhin aus Gelenkinnenteil 6, Kugeln 7 und Kugelkäfig 8 bestehenden Gleichlaufverschiebegelenks ausgebildet. Das Gelenk ist über Blechkappen 9, 10 und einen Rollbalg 11 beidseitig abgedichtet. Am entgegengesetzten Ende des Wellenrohres 1 ist ein Anschlußelement 12 eingeschoben, das in einen mehrfach abgesetzten Wellenzapfen 13 einstückig übergeht. Auf diesem Zapfen ist ein Kugellager mit seinem Lagerinnenring 14 aufgeschoben und mit einem Sicherungsring 15 festgelegt, das weiterhin aus Kugelkörpern 16 und Lageraußenring 17 besteht. Der Lageraußenring ist in einem elastischen Gummielement 18 mit äußerem Metallring 19 gehalten. Das Lager ist mit einem Blechring 20 abgedichtet. In das Wellenrohr 1 ist ein innenliegender drehsteifer Rohrkörper 21 eingesetzt, der mit dem Wellenrohr im wesentlichen auf der gesamten Länge in reibender Anlage ist und mit dem Anschlußteil 12 einstückig verbunden sein kann.

In Fig. 2 ist das Wellenrohr 1 mit den sich anschließenden Anschlußelementen 4 und 12 sowie den daran angeordneten Teilen in Übereinstimmung mit der Ausführung nach Fig. 1 dargestellt. Ein innenliegender, in das Wellenrohr 1 eingesetzter drehsteifer Rohrkörper 22 ist gegenüber diesem an seinen Endbereichen 23, 24 abdichtend eingesetzt und schließt mit dem Wellenrohr einen ringzylindrischen Zwischenraum 25 ein, der flüssiges Dämpfungsmaterial, insbesondere hochviskose Flüssigkeit aufnimmt. Beide Enden 23, 24 des Rohrkörpers 22 sind gegenüber dem Wellenrohr 1 frei verdrehbar.

In Fig. 3 ist das Wellenrohr 1 mit den Anschluß elementen 4 und 12 sowie den darin angeordneten Teilen in Übereinstimmung mit der Ausführung nach Fig. 1 dargestellt. In das Wellenrohr 1 ist ein drehsteifer Rohrkörper 26 von zylindrischer Form mit geringerem Durchmesser eingesetzt, wobei der sich dazwischen bildende zylindrische Ringraum 27 mit festem Dämpfungsmaterial ausgefüllt ist, das mit den beiden Rohrkörpern verklebt sein kann. Die Enden des Rohrkörpers 26 sind ohne Kontakt zum Wellenrohr oder dessen Anschlußelementen.

In Fig. 4 ist das Wellenrohr 1 mit den Anschluß elementen 4 und 12 sowie den darin angeordneten Teilen in Übereinstimmung mit der Ausführung nach Fig. 1 dargestellt. In das Wellenrohr 1 ist ein Rohrkörper 28 von doppelkonischer Form eingesetzt, der mit dem Wellenrohr einen sich in der radialen Dicke von der Mitte zu den Enden vergrößernden Ringraum 29 bildet, der mit festem Dämpfungsmaterial gefüllt ist. Bei einer Torsion des elastischen Wellenrohres 1 gegenüber dem drehsteifen Rohrkörper 28 ergibt sich hierdurch eine im wesentlichen gleichmäßige Scherbelastung des Dämpfungsmaterials. Auch hierbei sind die Enden des Rohrkörpers 28 ohne Berührung gegenüber dem Wellenrohr 1 oder den Anschlußelementen.

In der Fig. 5 ist das Wellenrohr 1 mit den Anschlußelementen 4 und 12 sowie den darin angeordneten Teilen in Übereinstimmung mit der Ausführung nach Fig. 1 dargestellt. In das Wellenrohr 1 ist hierbei ein konischer Rohrkörper 30 eingesetzt, der mit dem Anschlußelement 12 fest verbunden ist. Der zwischen Rohrkörper 30 und Wellenrohr 1 gebildete in radialer Dicke zunehmende Ringraum 31 ist auch hierbei mit festem Dämpfungsmaterial ausgefüllt, das bei einer Torsion des drehweichen Wellenrohres gegenüber dem drehsteifen Rohrkörper 30 aufgrund der einseitigen Festlegung des letzteren einer ungefähr gleichmäßigen Scherbelastung über der Länge unterliegt.

In Fig. 6 weist das Wellenrohr 1 abweichend von den vorhergehenden Ausführungen einen kürzeren zylindrischen Abschnitt 32 und einen längeren konischen Abschnitt 33 auf, der dann wieder in einen zylindrischen Abschnitt 3 zur Befestigung auf dem Anschlußelement 4 übergeht. Dieses ist ebenso wie das Anschlußelement 12 auf der Gegenseite in gleicher Weise ausgestaltet wie bei den vorhergehenden Ausführungen. In den konischen Rohrabschnitt 33 ist ein entsprechender konischer Rohrkörper 34 in reibender Anlage eingesetzt, der axial durch die Kraft einer Schraubenfeder 35, die sich am Anschlußteil 4 abstützt, unter Vorspannung gegenüber der Rohrwandung gehalten wird. Die Dämpfungs wirkung kann durch die Wahl der Federvorspannung verändert werden.

In Fig. 7 weist das Wellenrohr 1 einen kürzeren zylindrischen Abschnitt geringen Durchmessers 36, ein konisches Übergangsstück 37 und ein verlängertes zylindrisches Anschlußstück 3 auf, in daß das Anschlußteil 4 in unveränderter Bauweise eingesetzt ist. Das auf der Gegenseite eingeführte Anschlußstück 12 ist im Durchmesser an den Zylinderabschnitt 36 angepaßt und einstückig mit einem drehsteifen Rohrkörper 38 ausgeführt, der an den Endbereichen 39, 40 gegenüber dem Wellenrohr abgedichtet ist und mit diesem einen ringzylindrischen Raum 41 einschließt, der mit hochviskoser Flüssigkeit als Dämpfungsmaterial gefüllt ist. Das Ende des Wellenrohres mit reduziertem Durchmesser ist durch ein Klemmstück 42 auf dem Anschlußstück 12 gehalten. Die übrigen Anschlußelemente zu beiden Enden der Welle sind wie in allen der vorhergenannten Ausführungen gestaltet.

Bezugszeichenliste

1 Wellenrohr
2 Übergangsbereich
3 Befestigungsabschnitt
4 Einschlußelement
5 Klemmhülse
6 Gelenkinnenteil
7 Kugel
8 Kugelkäfig
9 Blechkappe
10 Blechhülse
11 Rollbalg
12 Anschlußelement
13 Wellenzapfen
14 Lagerinnenring
15 Sicherungsring
16 Kugel
17 Lageraußenring
18 Gummielement
19 Metallring
20 Dichtkappe
21 Rohrkörper
22 Rohrkörper
23 Dichtbereich
24 Dichtbereich
25 Ringraum
26 Rohrkörper
27 Ringraum (zylindrisch)
28 Rohrkörper
29 Ringraum (doppelkonisch)
30 Rohrkörper
31 Ringraum (konisch)
32 Rohrabschnitt (zylindrisch)
33 Rohrabschnitt (konisch)
34 Rohrkörper (konisch)
35 Schraubenfeder
36 Rohrabschnitt (zylindrisch)
37 Übergangsabschnitt (konisch)
38 Rohrkörper
39 Dichtungsbereich
40 Dichtungsbereich
41 Ringraum
42 Klemmring

Claims

1. Drehelastische Hohlwelle zur Drehmomentübertragung, die zur Drehschwingungsdämpfung mit einem außen- oder innenliegenden drehsteifen Rohrkörper in koaxialer Anordnung unter Auftreten von Reibung kombiniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (1) aus Faserverbundwerkstoff besteht und an beiden Enden unmittelbar mit Anschlußteilen (4, 12) zur Drehmomenteinleitung verbunden ist.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der außen- oder innenliegende drehsteife Rohrkörper (21, 30, 38) an einem Ende mit einem der Anschlußteile drehfest verbunden ist (Fig. 1, Fig. 5, Fig. 7).

3. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der außen- oder innenliegende drehsteife Rohrkörper (22, 26, 28, 34) an beiden Ende frei verdrehbar gegenüber beiden der Anschlußteile (4, 12) in die Hohlwelle (1) eingesteckt ist (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 6).

4. Welle nach Anpruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der innen- oder außenliegende Rohrkörper (21, 22, 26, 28, 30) im wesentlichen über die ganze Länge der Hohlwelle (1) erstreckt.

5. Welle nach einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß ein innenliegender Rohrkörper (21, 34) in flächiger reibender Anlage in der Hohlwelle liegt (Fig. 1, Fig. 6).

6. Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein innenliegender Rohrkörper (34) vorgesehen ist, der konisch ist und unter axialer Vorspannung in einem entsprechend konisch ausgebildeten Abschnitt (33) der Hohlwelle (1) vorzugsweise von einer Schraubenfeder (35), die sich an einem der Anschlußteile (4) abstützt, gehalten wird (Fig. 6).

7. Welle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein innenliegender Rohrkörper (22, 38) an seinen Enden (23, 24; 39, 40) gegenüber der Hohlwelle (1) abdichtend anliegt und mit dieser einen dazwischen liegenden, mit Dämpfungsmaterial, insbesondere mit hochviskoser Flüssigkeit gefüllten Ringraum (25, 41) einschließt (Fig. 2).

8. Welle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein innenliegender Rohrkörper (26, 28, 30) mit radialem Abstand zur Hohlwelle (1) koaxial ausgeführt ist und mit dieser einen dazwischenliegenden, mit Dämpfungsmaterial, insbesondere mit kraft- oder stoffschlüssig angebundenem Gummi gefüllten Ringraum (27, 29, 31) einschließt (Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5).

9. Welle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Rohrkörper (26) und Hohlwelle (1) miteinander einen zylindrischen Ringraum (27) bilden.

10. Welle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Rohrkörper (28; 30) und Hohlwelle (1) miteinander einen konischen oder doppelkonischen Ringraum (29; 31) bilden.

11. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der außen- oder innenliegende Rohrkörper (38) sich über einen Längsabschnitt (36) der Hohlwelle (1) mit geringerem Durchmesser erstreckt, an den sich ein dreh- und biegesteifer Längsabschnitt (3) der Hohlwelle mit größerem Durchmesser anschließt.

12. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der außen- oder innenliegende Rohrkörper und die Hohlwelle an dem oder den gegeneinander frei verdrehbaren Enden mit Anschlägen zur Drehwinkelbegrenzung versehen sind.

13. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der außen- oder innenliegende Rohrkörper axial geschlitzt ist.

14. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der der Anschlußteile (4) zur axialen Schwingungsabkopplung Bestandteil eines axial verschieblichen Gleichlaufdrehgelenks, insbesondere dessen Außenteil ist.

15. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle und der außen- oder innenliegende Rohrkörper im Querschnitt von der Kreisform geringfügig abweichen.

16. Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einem innenliegenden Rohr körper, dadurch gekennzeichnet, daß der innenliegende Rohrkörper zumindest als Teil eines Wickelkerns für die drehweiche Hohlwelle dient.