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WO2011042486A1 - Vorrichtung zur dämpfung und übertragung eines drehmoments - Google Patents

Vorrichtung zur dämpfung und übertragung eines drehmoments Download PDF

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Publication number
WO2011042486A1
WO2011042486A1 PCT/EP2010/064971 EP2010064971W WO2011042486A1 WO 2011042486 A1 WO2011042486 A1 WO 2011042486A1 EP 2010064971 W EP2010064971 W EP 2010064971W WO 2011042486 A1 WO2011042486 A1 WO 2011042486A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
component
coupling element
steering
cross
contact surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2010/064971
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Bickelmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of WO2011042486A1 publication Critical patent/WO2011042486A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/50—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members
    • F16D3/76—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members shaped as an elastic ring centered on the axis, surrounding a portion of one coupling part and surrounded by a sleeve of the other coupling part
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/26—Hooke's joints or other joints with an equivalent intermediate member to which each coupling part is pivotally or slidably connected
    • F16D3/38—Hooke's joints or other joints with an equivalent intermediate member to which each coupling part is pivotally or slidably connected with a single intermediate member with trunnions or bearings arranged on two axes perpendicular to one another
    • F16D3/382—Hooke's joints or other joints with an equivalent intermediate member to which each coupling part is pivotally or slidably connected with a single intermediate member with trunnions or bearings arranged on two axes perpendicular to one another constructional details of other than the intermediate member
    • F16D3/387—Fork construction; Mounting of fork on shaft; Adapting shaft for mounting of fork
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16F1/3605—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers characterised by their material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16F1/3863—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers with a sleeve of elastic material between a rigid outer sleeve and a rigid inner sleeve or pin, i.e. bushing-type characterised by the rigid sleeves or pin, e.g. of non-circular cross-section
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    • F16F1/387—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers with a sleeve of elastic material between a rigid outer sleeve and a rigid inner sleeve or pin, i.e. bushing-type comprising means for modifying the rigidity in particular directions
    • F16F1/3876—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers with a sleeve of elastic material between a rigid outer sleeve and a rigid inner sleeve or pin, i.e. bushing-type comprising means for modifying the rigidity in particular directions by means of inserts of more rigid material

Definitions

  • the present invention relates to a device comprising a first component and a second component, which are rotatable about an axis and at least partially overlap in the direction of the axis, in which the first component and the second component in radial Direction are connected via a coupling element.
  • the invention relates to a steering system for a motor vehicle with a steering wheel, a steering column and a steering linkage.
  • the invention relates to a drive train with a drive unit and one or more transmission elements that transmit a torque.
  • the invention comprises the use of the device according to the invention for transmitting a torque.
  • In the transmission of a rotational movement from one component to another component is often the requirement to dampen or decouple disturbing suggestions that act on the components.
  • mostly volume-compressible elastomers such as rubber have been used as bearings or couplings between the relevant components.
  • the elastic member consists of a spring element and a damping element, wherein damping coefficient and spring constant are selected in a certain ratio to each other.
  • the elastic member is made of rubber and vulcanized onto a shaft.
  • This type of elastic connection usually has a characteristic ratio of stiffness in the axial and radial directions and in terms of torsion. This ratio can be influenced by the choice of the recipe or the geometric design, but this is limited due to the material properties.
  • volume-compressible elastomers for example based on cellular polyisocyanate polyaddition products, are known in principle. They are mainly used as bearing elements or spring elements, which are mainly used for vibration damping. A use of such elastomers for transmitting a torque describes the utility model DE 297 20 240 U1.
  • a torsionally flexible coupling for a propeller shaft, wherein at two shaft ends in each case a connecting part with substantially radially to the axis of rotation extending flanks and between the flanks of an elastic Spring body is arranged.
  • the elastic spring body may be made of cellular polyurethane.
  • this torsionally flexible coupling is structurally complex and takes up a large amount of space.
  • Object of the present invention was to develop a device with which torque can be transferred from one component to another component while damping and decoupling unwanted excitations of the components.
  • the device should be easy to manufacture and be widely adjustable in terms of its properties, such as stiffness.
  • the device according to the invention comprises a first component, a second component and a coupling element.
  • the first component and the second component have no common contact surface, but are each connected to the coupling element.
  • the first and second components are rigid bodies which may be made of metal, hard plastic, composites or fiber reinforced composites.
  • the fiber-reinforced composite materials may contain glass fibers, carbon fibers or aramid fibers, preference is given to glass fibers.
  • the property that the components have no common contact surface refers to the normal operating range of the device. Securing devices such as stops, e.g. can be provided in the event of material failure of the coupling element, do not contradict the inventive concept.
  • the first component and the second component are rotatable about an axis, the term "an axis" being understood to mean essentially a common axis of rotation Due to the elastic properties of the coupling element, there may be a slight deviation between the axis of rotation The amount of this deviation may vary during a rotational movement, with deviations of -7 ° to + 7 °, preferably -5 ° to + 5 °, in particular of According to the invention, during a rotational movement, a force is transmitted from one component to the other component via the coupling element, whereby the driving torque can originate either from the first component or from the second component allow, the components are preferably stored or guided in suitable devices, for example in ball bearings n, rolling bearings or plain bearings.
  • the first component and the second component may have different geometries and dimensions.
  • the first component or the second component or both are a rod-shaped element.
  • the rod-shaped element In cross section perpendicular to the longitudinal axis, the rod-shaped element can be designed differently, for example, circular, elliptical, triangular, rectangular, square, pentagonal, hexagonal or polygonal, symmetrical or asymmetrical.
  • the cross section is substantially circular or rectangular, more preferably square.
  • the cross section may vary over the length of the rod-shaped element, both in its dimension and in shape. In particular, one end or both ends of the rod-shaped element may be shaped differently in shape from the inner part of the element.
  • a rod-shaped element of circular cross-section may have an end having the cross-sectional shape of a square.
  • the cross section may be filled so that the rod-shaped element is made compact from a material.
  • the rod-shaped element may also be hollow, for example in the form of a tube.
  • the rod-shaped ele- ment is a tube which is made of metal, in particular of a steel.
  • the first component, the second component or both are a socket.
  • the socket can be designed differently in terms of shape and dimension.
  • the bush In cross-section perpendicular to the longitudinal axis, the bush may be, for example, circular, elliptical, triangular, rectangular, square, pentagonal, hexagonal or polygonal, symmetrical or asymmetrical.
  • the cross section is substantially circular.
  • the cross section is preferably substantially square.
  • the socket is designed so that further devices can be attached thereto, for example, characterized in that the inner surface of the socket is at least partially designed as a thread.
  • the bush is made of metal, in particular of aluminum or steel.
  • the bush consists of a bent sheet metal, which is not closed as a tube, but has a slot in the direction of the axis and only after being pressed into a corresponding receiving device to a closed socket.
  • a bush made of hard plastic in particular of a thermoplastic polyurethane material or a reactive polyurethane system.
  • the first component and the second component are connected via a cellular polyisocyanate polyaddition product as a coupling element.
  • Zellig means in this context that the cells preferably have a diameter of 0.01 mm to 0.5 mm, more preferably from 0.01 mm to 0.15 mm.
  • Elastomers based on cellular polyisocyanate polyaddition products and their preparation are well known and variously described, for example in EP 62 835 A1, EP 36 994 A2, EP 250 969 A1, EP 1 171 515 A1, DE 195 48 770 A1 and DE 195 48 771 A1.
  • the cellular polyisocyanate polyaddition products particularly preferably have at least one of the following material properties: a density according to DIN EN ISO 845 of between 200 and 1100 kg / m 3 , preferably between 270 and 900 kg / m 3 , a tensile strength according to DIN EN ISO 1798 of> 2.0 N / mm 2 , preferably> 4 N / mm 2 , more preferably between 2 and 8 N / mm 2 , an elongation at break according to DIN EN ISO 1798 of> 200%, preferably> 230%, particularly preferably between 300 up to 700% and / or a tear strength according to DIN ISO 34-1 B (b)> 6 N / mm, preferably> 8 N / mm, particularly preferably> 10 N / mm.
  • the cellular polyisocyanate polyaddition product has two, more preferably three of these material properties, particularly preferred embodiments have all four of said material properties.
  • the preparation is usually carried out by reacting isocyanates with isocyanate-reactive compounds.
  • the cellular polyurethane elastomers based on the isocyanates diisocyanatotoluene (TDI) and naphthylene diisocyanate
  • NDI most preferably based on 2-, 6-diisocyanatotoluene (TODI) and 1-, 5-Naphthylendiisocyanat (5-NDI) prepared.
  • the coupling elements based on cellular polyisocyanate polyaddition products are usually prepared in a form in which the reactive starting components are reacted together.
  • forms come here generally conventional shapes in question, for example, metal forms that ensure the three-dimensional shape of the coupling element due to their shape.
  • the preparation of the polyisocyanate polyaddition products can be carried out by generally known processes, for example by using the following starting materials in a one- or two-stage process:
  • auxiliaries and / or additives for example polysiloxanes and / or fatty acid sulfonates.
  • the surface temperature of the mold inner wall is usually 40 to 95 ° C, preferably 50 to 90 ° C.
  • the production of the moldings is advantageously carried out at an NCO / OH ratio of 0.85 to 1.20, wherein the heated starting components are mixed and brought in an amount corresponding to the desired molding density in a heated, preferably tightly closing mold.
  • the moldings are cured after up to 60 minutes and thus demoulded.
  • the amount of the introduced into the mold reaction mixture is usually measured so that the resulting moldings have the density already shown.
  • the starting components are usually introduced at a temperature of 15 to 120 ° C, preferably from 30 to 1 10 ° C, in the mold.
  • the degrees of densification for the production of the molded articles are between 1, 1 and 8, preferably between 2 and 6.
  • the cellular polyisocyanate polyaddition products are expediently prepared by the one-shot process using the low-pressure technique or, in particular, the reaction injection molding technique (RIM). in open or preferably closed molds.
  • the reaction is carried out in particular under compression in a closed mold.
  • the reaction injection molding technique is described for example by H. Piechota and H.
  • the first component and the second component overlap at least partially in the direction of the axis.
  • the first component is preferably designed at least in the overlapping region in the form of a tube, wherein the inner diameter of the tube is greater than the outer diameter of the second component.
  • the first component is a bush, a tube or a bar-shaped element, one end of which is designed as a tube.
  • the term diameter is not to be understood as limiting to a circular shape, but refers to the maximum inner or outer dimensions of the respective cross-section, for example, the edge length in a square cross-section.
  • the cross sections of the first component and the second component in the overlapping region can also be of different shape, for example circular as the inner profile of the first component and square as the outer profile of the second component or vice versa.
  • the coupling element is arranged in the radial direction between the first component and the second component. During a rotational movement of the first component relative to the second component, a force transmission takes place predominantly via the radial contact surfaces between the first component and the coupling element. The coupling element in turn transmits the force predominantly via the radial contact surfaces between the second component and the coupling element to the second component.
  • the coupling element is subject to different strong forces such as pressure and shear.
  • the invention improves known devices to the extent that stiffness in the axial and radial directions for different load conditions can be better matched to the particular application.
  • the material thickness of the coupling element does not fall below certain limits. Since the effect does not depend exclusively on the material thickness, but e.g. also from the cross-sectional shape of the components is considered essential to the criterion, the ratio of perimeter to incircle as defined below and explained in more detail in Figs. 3 to 1 1.
  • a first component has a smaller outer diameter than the inner diameter of a second component.
  • a circumference is set around the cross section of the contact surface of the first component and coupling element, the diameter of which is selected to be just so small that it completely covers the cross section of the contact surface.
  • an in-circle is applied to the cross section of the contact surface of the second component and coupling element, whose diameter is just chosen so large that it still fits in the cross section of the contact surface, without cutting it.
  • the circumference around the cross section of the contact surface of the first component and coupling element is at most 25 percent, preferably 20 percent, particularly preferably 15 percent greater than the diameter of the inscribed circle at the cross section of the contact surface of the second component and coupling element.
  • the coupling element can be manufactured in different ways. It can be manufactured, for example, as a tubular fabric and then cut to the required length. It can also be designed as a plate and cut to the length and width required as a coupling element. With the aid of the method of water jet cutting, it is easy to realize different profiles of the coupling element.
  • the coupling element can also consist of several individual parts, for example of tube sections or plates of different densities, in order to better adapt the properties in different spatial directions to the requirements.
  • the coupling element must not be continuous in the direction of the axis and in the circumferential direction. It can also contain several individual parts, for Wise strips comprise, which are arranged in the direction of the axis or in the circumferential direction such that there are cavities between them.
  • the length of the coupling element in the direction of the axis is preferably from 5 to 80 mm, particularly preferably from 10 to 50 mm, in particular from 20 to 40 mm.
  • the radial extent of the coupling element is preferably in the range from 2 to 12 mm, particularly preferably from 3 to 10 mm, in particular from 4 to 8 mm.
  • the diameter of the circumference around the inner component is preferably from 10 to 90 mm, more preferably from 15 to 60 mm, in particular from 20 to 40 mm, wherein the diameter of the inscribed circle is preferably smaller than 75 mm.
  • the perimeter diameter corresponds to the outer diameter of the inner member and the In Vietnamese malmesser the inner diameter of the outer member.
  • Coupling element and first component as well as coupling element and second component can be connected to one another in different ways.
  • the coupling element is a separately manufactured element which is connected to the first component or the second component or both, particularly preferably by gluing.
  • the bonding can be done by known methods, for example by an adhesive is applied to the surface to be joined of the component or the coupling element and then the component and coupling element are joined together.
  • an adhesive is applied to the surface to be joined of the component or the coupling element and then the component and coupling element are joined together.
  • reactive cold or thermosetting two component adhesives are used, e.g. reactive systems based on isocyanates or epoxides or hot melt adhesives, so-called hotmelts.
  • hotmelts hot melt adhesives which preferably contain encapsulated isocyanates embedded in a polyol matrix.
  • These hot melt adhesives can be applied, for example, as a powder to the surface to be bonded and melt, whereby they adhere to the surface to be bonded without significantly lose reactivity.
  • melt film which is applied to the surface to be joined of the component or the coupling element. Subsequently, component and coupling element are joined together and heated. The melted foil melts and forms a durable, solid after cooling Connection.
  • melt foils made of thermoplastic polyurethane (TPU) are used.
  • coupling element and component are bonded by means of a casting resin, which may in particular be a reactive polyurethane system.
  • a casting resin as an adhesive offers the advantage that lower demands on the manufacturing accuracy must be made because the casting resin fills cavities between the component and coupling element and after curing, the elements are permanently and firmly connected.
  • the coupling element comprises one or more strips, e.g. can be cut by a water jet from a plate.
  • the strips are dimensioned so that they form a closed coupling element in the circumferential direction when installed, with the exception of a small gap.
  • the strips are particularly suitable for being applied to the first component, the second component or both.
  • the first component is fixed in its position relative to the second component, the or the strip loosely placed in the space between the components and molded with a casting resin.
  • connection between the coupling element and the component is realized in that the coupling element is foamed in its manufacture to the first component or the second component.
  • the coupling element can be connected in this way with both components.
  • a bonding agent can be applied to the surfaces of the component to be joined before the foaming of the coupling element.
  • a connection is realized in that the component is connected during its manufacture with the coupling element.
  • a component made of a hard plastic e.g. a thermoplastic polyurethane (TPU) is made.
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • the separately produced coupling element can be inserted into a mold and then encapsulated or overmolded by known methods.
  • a TPU material results due to the material properties a permanent, firm connection between the component and the coupling element.
  • Chemical adhesion promoters can usually be dispensed with in this case.
  • the TPU materials can also be used in generally known mixtures with other thermoplastics, for example polyolefins, ABS and / or ASA plastics, as well as fillers such as glass fibers. Preference is given to TPU materials with glass fiber admixtures.
  • the TPU can be based on known raw materials, for example, the commonly used isocyanates, polyols, chain extenders, catalysts and excipients.
  • the thickness of the TPU material is preferably from 1 to 15 mm, more preferably from 3 to 10 mm.
  • a reactive polyurethane system is used which can be processed by means of the generally known RIM technology (Reaction Injection Molding) or as a classical casting system. Since this casting resin as described above is also well suited as an adhesive, in a particularly preferred embodiment, a first component is produced by casting or injection molding on the coupling element and in the same operation another, already prefabricated component adhesively connected to the coupling element. In a further preferred embodiment, the component and the coupling element are interconnected by frictional connection in that the minimum and maximum radial dimensions of the components and of the coupling element are selected such that they can be joined together under pretensioning.
  • the first component is advantageously connected to the coupling element in that the outer diameter of the coupling element is greater than the inner diameter of the first component.
  • the inner diameter of the coupling element is advantageously selected smaller than the outer diameter of the second component in a connection with the second component.
  • an inner second component can be widened, for example, by being pushed onto a mandrel which increases in diameter, which likewise leads to the precompression of the coupling element.
  • the precompression of the coupling element is preferably in the range of 5 to 50%, in particular of 5 to 35%, based on the original, uncompressed volume of the coupling element.
  • connection according to the invention between the component and the coupling element is to achieve positive locking via the shaping.
  • This can be achieved for example by the geometric design of the component cross-section, for example in a rectangular inner or outer profile.
  • a form fit can also be achieved via elevations and depressions in the touching upper surfaces of component and coupling element can be realized.
  • the determination of the circumference takes place in this case on the basis of the radially largest extent of the contact surface between the inner component and the coupling element, for example, elevations on the outer surface of the inner component.
  • the inscribed circle is determined on the basis of the radially smallest extent of the contact surface between the outer component and the coupling element, for example elevations on the inner surface of the outer component.
  • connection can also be combined, for example, by the connection between the first component and coupling element on bonding and the connection between the second component and coupling element based on adhesion or positive engagement.
  • a positive connection can also be glued in addition.
  • the coupling element on stiffening elements which serve to influence the torsional stiffness of the device targeted.
  • the stiffening elements are located in the interior of the coupling element. Particularly preferably, they are arranged substantially in the direction of the axis.
  • Such stiffening elements may consist of pins, which may have different lengths and cross-sectional profiles.
  • the stiffening elements are produced in the same working step as the connection of the coupling element with at least one component.
  • One possible realization is to initially save cavities in the production of the coupling element.
  • a casting resin can be used, on the one hand to make the connection and to fill in the same operation, the cavities in the coupling element. After curing of the casting thus stiffening elements are formed in the coupling element.
  • the solution according to the invention offers the advantage that no separate element has to be produced and an additional working step, such as pressing together with the necessary tools, is eliminated.
  • Another object of the invention relates to a steering system for a motor vehicle, comprising a steering wheel, a steering shaft and a steering gear.
  • at least one device as described above is present in the power transmission path from the steering wheel to the steering gear via the steering shaft to dampen vibrations from the steering wheel and the vehicle interior and to transmit the rotational movement generated by the steering wheel to the steering gear. Vibrations can be registered, for example, by road excitations in the steering system or generated by the components of the steering system itself.
  • the steering shaft may consist of several sections, which are divided for example by universal joints, as explained in more detail in Fig. 13.
  • the steering shaft or a portion of the steering shaft is a rod-shaped element in the sense of the invention shown above.
  • the coupling element is fastened directly to the steering shaft or a portion of the steering shaft as the first component.
  • the second component may be another portion of the steering shaft, a universal joint or other element in the power transmission path from the steering wheel to the steering gear.
  • the second component can also be a bush, which in turn is connected to a section of the steering shaft, a cardan joint or another element, for example by tight fit after being pressed into or onto a corresponding receiving device.
  • the first component, the second component or both are a socket, which is connected to the coupling element.
  • the socket is designed so that it can be connected by known methods firmly with the steering shaft, a portion of the steering shaft, a universal joint or other element in the power transmission path from the steering wheel to the steering gear.
  • the bushing has as outer bushing a diameter which is larger than the inner diameter of a corresponding receiving device, e.g. a portion of the steering shaft.
  • section of the steering shaft can also be realized in that the bushing has a thread as an inner bush, via which the portion of the steering shaft is screwed.
  • Another object of the invention relates to a drive train comprising a drive unit and one or more transmission elements which transmit a torque.
  • at least one of the transmission elements is provided with a device as described above.
  • the power plant may be any type of actuator that provides mechanical power, e.g. Internal combustion engines, electric, hydraulic or pneumatic motors.
  • the transmission elements may be shafts, gears, claws or similar devices that transmit the power of the power plant to other components.
  • the device according to the invention can be used in a variety of ways, examples being: mechatronic drive trains, eg for transmitting a rotational movement which originates from an electric motor and in which high-frequency components of the torque signal or path excitation are to be decoupled; Decoupling of higher-frequency components from hydraulic torque sources, eg decoupling of so-called Hiss noises, which are excited by the flow of oil in hydraulic systems;
  • Electrohydraulic or electromechanical steering systems in which quasi-static or very low-frequency ( ⁇ 1 Hz) rotational motions relevant for driving dynamics are to be transmitted while at the same time reducing the transmission of noise from the servomotors or from the surface of the vehicle to the vehicle interior;
  • the invention offers several advantages:
  • the spreading of the torsional stiffness to axial and radial stiffness is both static and dynamic particularly high compared to volume compressible elastomers.
  • torques can be transmitted in a targeted manner and, at the same time, axial and radial excitations such as vibrations can be better decoupled.
  • a lower axial stiffness facilitates the production of a length compensation, which is particularly advantageous when used in a drive train.
  • the stiffening of the torsional stiffness as a comparison between static and dynamic rigidity is significantly lower than with rubber elements, especially at low amplitudes ( ⁇ 0.5 °).
  • a progressive torque torsion angle characteristic can be achieved similar to rubber elements by geometric measures such as inner and outer profiling or the addition of stiffening elements, but the volume compressibility favors the achievement of high maximum angles of twist and long lifetimes.
  • the component continuum resonances of the component are in much higher frequency ranges than comparable rubber components. This makes it possible to better decouple high-frequency components (greater than 100 Hz) of torsional, radial and axial excitations.
  • high-frequency components greater than 100 Hz
  • a cellular polyisocyanate addition product based on NDI as a coupling element due to its fatigue properties under shear and compressive stress, the stiffening properties, its settlement behavior, tear strength, high energy absorption in compression to progression, and the media and temperature resistance.
  • Fig. 1 Example of an embodiment with circular cross-sections
  • Fig. 2 Example of an embodiment with square cross-sections
  • FIGS. 6-7 Octagonal cross-sectional profiles of embodiments according to the invention
  • Fig. 8-10 Combined cross-sectional profiles of embodiments according to the invention
  • Fig. 1 1 cross-sectional profiles of a further embodiment
  • Fig. 12 Example of an embodiment with stiffening elements
  • Fig. 13 Example of a steering system with inventive device
  • Fig. 14-15 Connection of steering shaft and universal joint in a steering system for
  • Fig. 16-17 Inventive embodiment of a compound of steering shaft
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an embodiment of the device 1 according to the invention.
  • a rod-shaped element forms a first component 10, which is rotatable about an axis A.
  • the element may, for example, be a shaft which can be set in a rotational movement about the axis A.
  • a second component 20 In the radial direction outside around the first component 10 around a second component 20 is arranged, which is also rotatable about the axis A.
  • the second component 20 is designed in the form of a socket.
  • the intermediate space between the first component 10 and the second component 20 is with a cellular polyisocyanate polyaddition product filled as coupling element 30.
  • the torque is transmitted through the coupling element 30 to the second component 20.
  • the contact surface 11 between the first component 10 and the coupling element 30 and the contact surface 21 between the second component 20 and the coupling element 30, viewed in cross-section perpendicular to the axis A, have the shape of concentric circles. Perimeter and incircle are identical to the respective cross sections.
  • FIG. 2 illustrates a schematic diagram of a further embodiment of the device 1 according to the invention.
  • the cross sections of the contact surfaces of the first component 10 and the second component 20 with the coupling element 30 are substantially square. Only the corners are rounded. How the diameter behaves from circle to circle depends on the respective edge length of the square cross-sectional area.
  • Fig. 3 shows the contact surface 1 1 of a first component and the contact surface 21 of a second component with the coupling element in cross-section perpendicular to the axis A.
  • the second component surrounds the first component in the radial direction.
  • the outer contour of the second, outer component is not shown.
  • the inner contour of the first, inner component is not shown.
  • the space between the two contact surfaces 11 and 21 is filled with elastomer and is referred to below as the elastomer surface 31.
  • the circumference 12 around the outer contour of the cross section of the contact surface 1 1 of the inner member and the inscribed circle 22 to the inner contour of the cross section of the contact surface 21 of the outer member are shown in dashed lines. In the case of the cross-sectional profiles illustrated in FIG. 3, the diameter of the circumference 12 is approximately 73% of the diameter of the inscribed circle 22.
  • FIG. 4 shows an analogous situation as Fig. 3, but for the special case that perimeter and incircle are identical.
  • the diameter of the circumference is greater than the diameter of the inscribed circle, namely by 20% for the dimensions shown concretely.
  • FIGS. 3 to 5 are to scale, wherein the cross section of the contact surface 1 1 of the inner member with the coupling element is identical in each case.
  • FIGS. 6 to 7 correspond to those in FIGS. 3 to 4, with the difference that, instead of the square octagonal cross sections of the contact surfaces 11 and 21, they are considered.
  • the diameter of the circumference 12 is about 84% of the diameter of the inscribed circle 22.
  • Fig. 7 shows the special case in which perimeter and inscribed circle are identical. From a 4, it can be seen that, in the case of octagonal cross-sectional profiles, the wall thickness of the elastomer as well as the entire elastomer surface 31 is significantly smaller for the same ratio of perimeter to incircle.
  • the circumference 12 it is possible for the circumference 12 to be larger than the inscribed circle 22, but the contact surfaces 11 and 21 approach each other so strongly that the minimum wall thickness can only be maintained for large diameters.
  • FIGS. 8 to 10 show further examples of embodiments according to the invention.
  • the cross-sectional profiles of the contact surfaces 1 1 and 12 are borrowed in these cases.
  • the contact surface 11 between the inner component and the coupling element is square, while the contact surface 21 between the outer component and the coupling element is octagonal.
  • the diameter of the circumference 12 is about 83% of the diameter of the inscribed circle 22.
  • the cross section of the outer contact surface is circular and therefore identical with its inscribed circle.
  • the reverse case is shown that the cross section of the inner contact surface is circular and thus identical to its circumference. In both cases it is common that the diameter of the circumference can not be greater than the diameter of the inscribed circle.
  • Their ratio is determined by the choice of the minimum wall thickness of the elastomer.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device 1 according to the invention which, in addition to a first component 10, second component 20 and coupling element 30, has stiffening elements 41, 42, which serve to increase the torsional rigidity of the coupling element 30.
  • a stiffening element 41 is connected to the first component and encloses it completely.
  • a steering system comprises a steering wheel 51 and a transmission device for transmitting steering inputs by the driver from the steering wheel 51 to the tires 57 of the vehicle.
  • the transmission device comprises a steering gear 52 and a mechanical steering shaft 54, wherein the steering shaft 54 serves to transmit on the steering wheel 51 discontinued rotational movements on an input shaft 59 of the steering gear 52.
  • the steering gear 52 may be mounted on a front axle undercarriage 53 or directly on the body 58 of the vehicle. Frequently, the steering shaft 54 is divided by one or more universal joints 55 in two or more sections. In the shaft sections torsionally flexible couplings 56 may be integrated.
  • at least one device according to the invention is present in the power transmission path from the steering wheel 51 via the steering shaft 54 to the steering gear 52, for example as a torsionally flexible coupling 56.
  • the objectives are pursued that, on the one hand, the most direct possible steering feel is to be achieved and, on the other hand, disturbing vibration-related suggestions of steering wheel and vehicle interior are to be isolated.
  • a high torsional rigidity of the steering shaft in the quasi-static case and in the dynamic case up to about 5 Hz at torsional amplitudes up to 2 ° is advantageous.
  • the constructive implementation of the low axial and radial stiffness in the steering shaft is designed and with the bearing of the steering shaft relative to the body combined, that the axes of rotation of the steering shaft are stably guided and the portions of the steering shaft due to an application of torques are not prone to evasive movements.
  • the design seeks to maximize the quasi-static and low-frequency torsional stiffness to create a direct steering feel, but at the same time just high enough to have the higher-frequency torsional stiffness associated with the design as well as the axial and radial stiffnesses associated with the design adequate insulation of disturbing vibrations and noises is given.
  • the use of devices according to the invention in steering systems offers the advantage that the ratio of torsional stiffness in the quasi-static case or at low frequencies (less than 5 Hz) for torsional rigidity at higher frequencies (greater than 5 Hz) due to the material properties of the cellular polyisocyanate polyaddition product higher values can accept.
  • the ratio of the torsional rigidity to the axial and radial stiffnesses may assume higher values. This allows a better and more individual adjustment of the characteristics of a steering system, in particular a balancing of the conflict of goals between the achievement of the direct steering feeling and the isolation of disturbing suggestions.
  • FIG. 14 shows parts of different steering systems known in the art.
  • a pipe 54 as a portion of a steering shaft is connected via a rubber-metal composite element 60 to a pipe fork 55 as part of a cardan joint.
  • the damping element 60 in Fig. 14 consists of an inner and an outer metal sleeve, which are equal in length and are arranged concentrically with each other. They were elastically bonded together by vulcanizing a rubber layer. The components were then pressed into each other.
  • the damping element 61 has an outer sleeve made of metal and is vulcanized directly to the tube 54.
  • stiffening elements 62 in the form of plastic pins are pressed into the rubber layer.
  • the pipe fork 55 facing the end of the tube 54 has a square profile in cross-section and engages in a square recess of the pipe fork 55 a.
  • the square profiles of tube 54 and pipe fork 55 do not touch.
  • the rubber is twisted in the damping element 60 and 61 and transmits a torque between the tube 54 and tube fork 55.
  • the square profiles act as a limitation of the deflection of a rotary motion, since they touch when the deflection becomes too strong. They thus also serve as a mechanical safeguard in the event of failure of the damping element.
  • FIG. 16 shows a steering system for motor vehicles with a device according to the invention comprising a tube 54 as a first component 10, an outer sleeve as a second component 20 and a coupling element 30.
  • the tube is made of steel and has an outside diameter of 25 mm.
  • the second component 20 is also made of steel and has a length of 44 mm, an inner diameter of 35.7 mm and a wall thickness of 1, 3 mm.
  • the coupling element 30 was manufactured from a cellular polyisocyanate polyaddition product as a sleeve-shaped elastomer semi-finished product. Its length is also 44 mm with an inner diameter of 29 mm and an outer diameter of 34 mm.
  • the coupling element 30 between the first part 10 and second component part 20 was inserted and connected by casting with a casting resin firmly with two components. Subsequently, the device was pressed by a tapered die to taper the outer metal bush in the radial direction. As a result, the coupling element 30 was biased in the radial direction.
  • 17 shows a further embodiment according to the invention, in which the coupling element 30 is produced as a plate-shaped elastomer semifinished product.
  • the outer, second component 20 is designed as a bush made of a bent sheet metal. The sheet is not closed as a tube, but has a slot in the axial direction, which is closed only after being pressed into a corresponding receiving device.
  • the devices according to the invention have the advantages already mentioned above, in particular a lower ratio of dynamic twist resistance to quasi-static torsional rigidity. In addition, they are easy to manufacture and can be flexibly adapted to the respective requirement profile.

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Abstract

Vorrichtung umfassend ein erstes Bauteil (10) und ein zweites Bauteil (20), die um eine Achse (A) drehbar sind und sich in Richtung der Achse (A) zumindest teilweise überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (10) und das zweite Bauteil (20) in radialer Richtung über ein zelliges Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt als Kopplungselement (30) verbunden sind, wobei der Umkreis (12) um den Querschnitt der Berührungsfläche von erstem Bauteil (10) und Kopplungselement (30) um höchstens 25 Prozent größer ist als der Durchmesser des Inkreises (22) an den Querschnitt der Berührungsfläche von zweitem Bauteil (20) und Kopplungselement (30).

Description

Vorrichtung zur Dämpfung und Übertragung eines Drehmoments Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil, die um eine Achse drehbar sind und sich in Richtung der Achse zumindest teilweise überlappen, bei der das erste Bauteil und das zweite Bauteil in radialer Richtung über ein Kopplungselement verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Lenkrad, einer Lenksäule sowie einem Lenkgestänge. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem Antriebsaggregat und einem oder mehreren Übertragungselementen, die ein Drehmoment übertragen. Daneben umfasst die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Übertragung eines Drehmoments. Bei der Übertragung einer Drehbewegung von einem Bauteil auf ein anderes Bauteil besteht häufig die Anforderung, störende Anregungen, die auf die Bauteile wirken, zu dämpfen oder abzukoppeln. Um dies zu erreichen, werden bislang meist volumenin- kompressible Elastomere wie Gummi als Lager oder Kupplung zwischen den betreffenden Bauteilen eingesetzt.
So wird in der Offenlegungsschrift DE 195 1 1 273 A1 ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug beschrieben, das ein elastisches Teil aufweist, das in einem Übertragungsweg vom Lenkrad zu den Rädern des Fahrzeugs angeordnet ist. Das elastische Teil besteht aus einem Federelement und einem Dämpfungselement, wobei Dämpfungskoeffizient und Federkonstante in einem bestimmten Verhältnis zueinander gewählt werden. In einem Beispiel besteht das elastische Teil aus Gummi und ist auf eine Welle aufvulkanisiert.
Diese Art von elastischer Verbindung weist in der Regel ein charakteristisches Verhält- nis der Steifigkeit in axialer und radialer Richtung sowie hinsichtlich der Torsion auf. Dieses Verhältnis kann durch die Wahl der Rezeptur oder der geometrischen Gestaltung beeinflusst werden, allerdings sind dem aufgrund der Materialeigenschaften Grenzen gesetzt. Als Alternative zu volumeninkompressiblen Elastomeren sind volumenkompressible Elastomere, beispielsweise auf Basis von zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsproduk- ten prinzipiell bekannt. Sie werden vorwiegend als Lagerelemente oder Federelemente eingesetzt, die hauptsächlich der Schwingungsdämpfung dienen. Eine Verwendung derartiger Elastomere zur Übertragung eines Drehmoments beschreibt das Gebrauchs- muster DE 297 20 240 U1 . Es offenbart eine drehelastische Kupplung für eine Gelenkwelle, bei der an zwei Wellenenden jeweils ein Verbindungsteil mit im Wesentlichen radial zur Drehachse verlaufenden Flanken und zwischen den Flanken ein elastischer Federkörper angeordnet ist. Der elastische Federkörper kann aus zellulärem Polyurethan gefertigt sein. Diese drehelastische Kupplung ist allerdings konstruktiv aufwändig und nimmt einen großen Bauraum in Anspruch. Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der ein Drehmoment von einem Bauteil auf ein anderes Bauteil übertragen werden können bei gleichzeitiger Dämpfung und Abkopplung von unerwünschten Anregungen der Bauteile. Die Vorrichtung sollte einfach zu fertigen und hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie der Steifigkeiten in weiten Bereichen einstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst, wie er in Anspruch 1 wiedergegeben ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 1 und 12 angegeben. Verwendungen der Gegenstände der Erfindung geben die Ansprüche 13 bis 15 wieder.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein erstes Bauteil, ein zweites Bauteil sowie ein Kopplungselement. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil weisen keine gemeinsame Kontaktfläche auf, sondern sind jeweils mit dem Kopplungselement verbun- den. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten und zweiten Bauteil um starre Körper, die aus Metall, hartem Kunststoff, Verbundwerkstoffen oder faserverstärkten Verbundwerkstoffen gefertigt sein können. Die faserverstärkten Verbundwerkstoffe können Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern enthalten, bevorzugt sind Glasfasern. Die Eigenschaft, dass die Bauteile keine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen, bezieht sich dabei auf den normalen Betriebsbereich der Vorrichtung. Sicherungseinrichtungen wie Anschläge, die z.B. für den Fall eines Materialversagens des Kopplungselements vorgesehen sein können, widersprechen dem Erfindungsgedanken nicht.
Das erste Bauteil und das zweite Bauteil sind um eine Achse drehbar, wobei der Be- griff„eine Achse" dahingehend zu verstehen ist, dass es sich im Wesentlichen um eine gemeinsame Drehachse handelt. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des Kopplungselements kann eine geringfügige Abweichung zwischen der Drehachse des ersten Bauteils im Vergleich zur Drehachse des zweiten Bauteils auftreten. Der Betrag dieser Abweichung kann während einer Drehbewegung variieren. Als geringfügig wer- den Abweichungen von -7° bis +7°, bevorzugt von -5° bis +5°, insbesondere von -3° bis +3° (Winkelgrad) angesehen. Erfindungsgemäß wird bei einer Drehbewegung eine Kraft von einem Bauteil über das Kopplungselement auf das andere Bauteil übertragen. Das antreibende Drehmoment kann dabei entweder vom ersten Bauteil oder vom zweiten Bauteil ausgehen. Um die Drehbewegung zu ermöglichen, sind die Bauteile vorzugsweise in geeigneten Vorrichtungen gelagert oder geführt, beispielsweise in Kugellagern, Wälzlagern oder Gleitlagern. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil können unterschiedliche Geometrien und Dimensionen aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Bauteil oder dem zweiten Bauteil oder bei beiden um ein stangenförmiges Element. Im Querschnitt senkrecht zur Längsachse kann das stangenförmige Element unterschiedlich gestaltet sein, beispielsweise kreisförmig, ellipsenförmig, dreieckig, rechteckig, quadratisch, fünfeckig, sechseckig oder mehreckig, symmetrisch oder unsymmetrisch. Bevorzugt ist der Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig oder rechteckig, besonders bevorzugt quadratisch. Der Querschnitt kann über die Länge des stangenformigen Elements variieren, sowohl in seiner Dimension als auch in der Form. Insbesondere ein Ende oder beide Enden des stangenformigen Elements können in ihrer Form von dem inneren Teil des Elements verschieden gestaltet sein. So kann beispielsweise ein im Querschnitt kreisförmiges stangenförmiges Element ein Ende aufweisen, das die Querschnittsform eines Quadrats besitzt. Der Querschnitt kann ausgefüllt sein, sodass das stangenförmige Element kompakt aus einem Material ge- fertigt ist. Das stangenförmige Element kann aber auch hohl sein, beispielsweise in Form eines Rohres. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das stangenförmige E- lement ein Rohr, das aus Metall gefertigt ist, insbesondere aus einem Stahl.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Bauteil, dem zweiten Bauteil oder beiden um eine Buchse. Auch die Buchse kann hinsichtlich Form und Dimension unterschiedlich gestaltet sein. Im Querschnitt senkrecht zur Längsachse kann die Buchse beispielsweise kreisförmig, ellipsenförmig, dreieckig, rechteckig, quadratisch, fünfeckig, sechseckig oder mehreckig, symmetrisch oder unsymmetrisch sein. Bevorzugt ist der Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig. Weiter- hin bevorzugt ist der Querschnitt im Wesentlichen quadratisch. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Buchse so gestaltet, dass weitere Vorrichtungen daran befestigt werden können, beispielsweise dadurch, dass die Innenfläche der Buchse zumindest teilweise als Gewinde ausgeführt ist. Bevorzugt ist die Buchse aus Metall gefertigt, insbesondere aus Aluminium oder Stahl. In einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form besteht die Buchse aus einem gebogenen Blech, das nicht als Rohr geschlossen ist, sondern in Richtung der Achse einen Schlitz aufweist und erst nach Einpressen in eine entsprechende Aufnahmevorrichtung zu einer geschlossenen Buchse wird. Weiterhin bevorzugt ist eine Buchse aus hartem Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Polyurethan-Werkstoff oder einem reaktiven Polyurethansystem.
Erfindungsgemäß sind erstes Bauteil und zweites Bauteil über ein zelliges Polyisocya- nat-Polyadditionsprodukt als Kopplungselement verbunden. Zellig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Zellen bevorzugt einen Durchmesser von 0,01 mm bis 0,5 mm, besonders bevorzugt von 0,01 mm bis 0,15 mm aufweisen.
Elastomere auf der Basis von zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukten und ihre Herstellung sind allgemein bekannt und vielfältig beschrieben, beispielsweise in EP 62 835 A1 , EP 36 994 A2, EP 250 969 A1 , EP 1 171 515 A1 , DE 195 48 770 A1 und DE 195 48 771 A1 .
Besonders bevorzugt haben die zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte mindes- tens eine der folgenden Materialeigenschaften: eine Dichte nach DIN EN ISO 845 zwischen 200 bis 1 100 kg/m3, bevorzugt zwischen 270 und 900 kg/m3, eine Zugfestigkeit nach DIN EN ISO 1798 von > 2,0 N/mm2, bevorzugt > 4 N/mm2, besonders bevorzugt zwischen 2 und 8 N/mm2, eine Bruchdehnung nach DIN EN ISO 1798 von > 200 %, bevorzugt > 230 %, besonders bevorzugt zwischen 300 bis 700 % und/oder eine Wei- terreißfestigkeit nach DIN ISO 34-1 B (b) > 6 N/mm, bevorzugt > 8 N/mm, besonders bevorzugt > 10 N/mm. In weiter bevorzugten Ausführungsformen besitzt das zellige Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt zwei, weiter bevorzugt drei dieser Materialeigenschaften, besonders bevorzugte Ausführungsformen besitzen alle vier der genannten Materialeigenschaften.
Die Herstellung erfolgt üblicherweise durch Umsetzung von Isocyanaten mit gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die zelligen Polyurethanelastomeren, auf der Basis der Isocyanate Diisocyanatotoluol (TDI) und Naphthylendiisocyanat
(NDI), ganz besonders bevorzugt auf der Basis von 2-,6-Diisocyanatotoluol (TODI) und 1 -,5-Naphthylendiisocyanat (5-NDI) hergestellt.
Die Kopplungselemente auf der Basis von zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsproduk- ten werden üblicherweise in einer Form hergestellt, in der man die reaktiven Ausgangskomponenten miteinander umsetzt. Als Formen kommen hierbei allgemein übliche Formen in Frage, beispielsweise Metallformen, die aufgrund ihrer Form die dreidimensionale Form des Kopplungselements gewährleisten. Die Herstellung der Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte kann nach allgemein bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise indem man in einem ein- oder zweistufigen Pro- zess die folgenden Ausgangsstoffe einsetzt:
(a) Isocyanat,
(b) gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen,
(c) Wasser und gegebenenfalls
(d) Katalysatoren,
(e) Treibmittel und/oder
(f) Hilfs- und/oder Zusatzstoffe, beispielsweise Polysiloxane und/oder Fettsäuresul- fonate. Die Oberflächentemperatur der Forminnenwand beträgt üblicherweise 40 bis 95°C, bevorzugt 50 bis 90°C.
Die Herstellung der Formteile wird vorteilhafterweise bei einem NCO/OH-Verhältnis von 0,85 bis 1 ,20 durchgeführt, wobei die erwärmten Ausgangskomponenten gemischt und in einer der gewünschten Formteildichte entsprechenden Menge in ein beheiztes, bevorzugt dichtschließendes Formwerkzeug gebracht werden.
Die Formteile sind nach bis zu 60 Minuten ausgehärtet und damit entformbar.
Die Menge des in das Formwerkzeug eingebrachten Reaktionsgemisches wird üblicherweise so bemessen, dass die erhaltenen Formkörper die bereits dargestellte Dichte aufweisen. Die Ausgangskomponenten werden üblicherweise mit einer Temperatur von 15 bis 120°C, vorzugsweise von 30 bis 1 10°C, in das Formwerkzeug eingebracht. Die Verdichtungsgrade zur Herstellung der Formkörper liegen zwischen 1 ,1 und 8, vorzugsweise zwischen 2 und 6. Die zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte werden zweckmäßigerweise nach dem one shot-Verfahren mit Hilfe der Niederdruck-Technik oder insbesondere der Re- aktionsspritzguss-Technik (RIM) in offenen oder vorzugsweise geschlossenen Formwerkzeugen, hergestellt. Die Reaktion wird insbesondere unter Verdichtung in einem geschlossenen Formwerkzeug durchgeführt. Die Reaktionsspritzguss-Technik wird beispielsweise beschrieben von H. Piechota und H. Röhr in "Integralschaumstoffe", Carl Hanser-Verlag, München, Wien 1975; DJ. Prepelka und J.L. Wharton in Journal of Cellular Plastics, März/April 1975, Seiten 87 bis 98 und U. Knipp in Journal of Cellu- lar Plastics, März/April 1973, Seiten 76-84. Erfindungsgemäß überlappen sich erstes Bauteil und zweites Bauteil in Richtung der Achse zumindest teilweise. Das erste Bauteil ist vorzugsweise zumindest in dem überlappenden Bereich in Form eines Rohres ausgestaltet, wobei der Innendurchmesser des Rohres größer ist als der Außendurchmesser des zweiten Bauteils. Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Bauteil um eine Buchse, ein Rohr oder ein stangenför- miges Element, dessen eines Ende als Rohr ausgestaltet ist. Der Begriff Durchmesser ist dabei nicht einschränkend auf eine Kreisform zu verstehen, sondern bezeichnet die maximalen inneren oder äußeren Dimensionen des betreffenden Querschnitts, beispielsweise die Kantenlänge bei einem quadratischen Querschnitt. Die Querschnitte von erstem Bauteil und zweitem Bauteil im überlappenden Bereich können auch von unterschiedlicher Form sein, beispielsweise kreisförmig als Innenprofil des ersten Bauteils und quadratisch als Außenprofil des zweiten Bauteils oder umgekehrt. Das Kopplungselement ist in radialer Richtung zwischen erstem Bauteil und zweitem Bauteil angeordnet. Bei einer Drehbewegung des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil erfolgt eine Kraftübertragung überwiegend über die radialen Berührungsflächen zwischen erstem Bauteil und Kopplungselement. Das Kopplungselement überträgt die Kraft wiederum überwiegend über die radialen Berührungsflächen zwischen zweitem Bauteil und Kopplungselement auf das zweite Bauteil. Abhängig von der Form der Innenfläche des ersten Bauteils und der Außenfläche des zweiten Bauteils unterliegt das Kopplungselement unterschiedlich starken Kräften wie Druck und Scherung.
Die Erfindung verbessert bekannte Vorrichtungen dahingehend, dass Steifigkeiten in axialer und radialer Richtung für unterschiedliche Belastungszustände besser auf den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmt werden können. Hierzu ist es erforderlich, dass die Materialstärke des Kopplungselementes bestimmte Grenzen nicht unterschreitet. Da die Wirkung nicht ausschließlich von der Materialstärke abhängt, sondern z.B. auch von der Querschnittsform der Bauteile, wird als erfindungswesentliches Kriterium das Verhältnis von Umkreis zu Inkreis betrachtet wie nachfolgend definiert und in den Fig. 3 bis 1 1 näher erläutert.
Betrachtet wird ein Schnitt senkrecht zur Achse, wobei ein erstes Bauteil einen kleineren äußeren Durchmesser aufweist als der innere Durchmesser eines zweiten Bauteils. Um den Querschnitt der Berührungsfläche von erstem Bauteil und Kopplungselement wird ein Umkreis gelegt, dessen Durchmesser gerade so klein gewählt wird, dass er den Querschnitt der Berührungsfläche vollständig umfasst. Analog wird an den Querschnitt der Berührungsfläche von zweitem Bauteil und Kopplungselement ein Inkreis angelegt, dessen Durchmesser gerade so groß gewählt wird, dass er noch in den Querschnitt der Berührungsfläche passt, ohne diesen zu schneiden. Erfindungsgemäß ist der Umkreis um den Querschnitt der Berührungsfläche von erstem Bauteil und Kopplungselement um höchstens 25 Prozent, bevorzugt 20 Prozent, besonders bevorzugt 15 Prozent größer als der Durchmesser des Inkreises an den Querschnitt der Berührungsfläche von zweitem Bauteil und Kopplungselement.
Das Kopplungselement kann auf unterschiedliche Arten gefertigt sein. Es kann beispielsweise als Schlauchware hergestellt und anschließend auf die erforderliche Länge zugeschnitten sein. Es kann auch als Platte gestaltet und auf die als Kopplungsele- ment notwendige Länge und Breite zugeschnitten sein. Mit Hilfe des Verfahrens des Wasserstrahlschneidens lassen sich einfach unterschiedliche Profile des Kopplungselements verwirklichen. Das Kopplungselement kann auch aus mehreren Einzelteilen bestehen, beispielsweise aus Schlauchabschnitten oder Platten unterschiedlicher Dichte, um die Eigenschaften in unterschiedliche Raumrichtungen den Erfordernissen bes- ser anpassen zu können. Das Kopplungselement muss in Richtung der Achse sowie in Umfangsrichtung nicht durchgängig sein. Es kann auch mehrere Einzelteile, beispiels- weise Streifen, umfassen, die in Richtung der Achse oder in Umfangsrichtung derart angeordnet sind, dass zwischen ihnen Hohlräume vorhanden sind.
Die Länge des Kopplungselements in Richtung der Achse beträgt bevorzugt von 5 bis 80 mm, besonders bevorzugt von 10 bis 50 mm, insbesondere von 20 bis 40 mm. Die radiale Ausdehnung des Kopplungselements liegt bevorzugt im Bereich von 2 bis 12 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 10 mm, insbesondere von 4 bis 8 mm. Der Durchmesser des Umkreises um das innere Bauteil beträgt vorzugsweise von 10 bis 90 mm, besonders bevorzugt von 15 bis 60 mm, insbesondere von 20 bis 40 mm, wo- bei der Durchmesser des Inkreises bevorzugt kleiner als 75 mm ist. Bei einem Kopplungselement, dessen Querschnitte der Berührungsflächen von Kopplungselement mit erstem Bauteil bzw. zweitem Bauteil jeweils kreisförmig sind, entspricht der Umkreisdurchmesser dem Außendurchmesser des inneren Bauteils und der Inkreisdurchmesser dem Innendurchmesser des äußeren Bauteils.
Kopplungselement und erstes Bauteil sowie Kopplungselement und zweites Bauteil können auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kopplungselement um ein separat gefertigtes Element, das mit dem ersten Bauteil oder dem zweiten Bauteil oder beiden verbun- den wird, besonders bevorzugt durch Verkleben.
Das Verkleben kann nach bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise indem ein Klebstoff auf die zu verbindende Fläche des Bauteils oder des Kopplungselements aufgebracht wird und anschließend Bauteil und Kopplungselement zusammengefügt werden. Bevorzugt werden dabei reaktive kalt- oder warmaushärtende Zweikomponenten-Klebstoffe verwendet, z.B. reaktive Systeme auf der Basis von Isocyanaten oder Epoxiden oder Schmelzklebstoffe, sogenannte Hotmelts. Besondere Vorteile bietet eine Klasse von reaktiven Schmelzklebstoffen, die bevorzugt verkapselte Isocyanate enthalten, die in eine Polyolmatrix eingebettet sind. Diese Schmelzklebstoffe lassen sich beispielsweise als Pulver auf die zu verklebende Oberfläche aufbringen und aufschmelzen, wodurch sie auf der zu verklebenden Oberfläche haften ohne dadurch wesentlich an Reaktivität zu verlieren. Dadurch wird es möglich, derartig vorbehandelte Elemente zueinander zu positionieren, ohne den Klebstoff von den zu verklebenden Oberflächen der Elemente abzutragen. Durch eine Erwärmung der vorpositionierten Elemente deutlich über den Schmelzpunkt des Pulvers brechen die verkapselten Isocyanate auf und leiten die Vernetzungsreaktion ein. Derartige Schmelzklebstoffe sind kommerziell erhältlich.
Anstelle eines Klebstoffes kann auch eine Schmelzfolie verwendet werden, die auf die zu verbindende Fläche des Bauteils oder des Kopplungselements aufgebracht wird. Anschließend werden Bauteil und Kopplungselement zusammengefügt und erwärmt. Dabei schmilzt die Schmelzfolie und bildet nach der Abkühlung eine dauerhafte, feste Verbindung. Bevorzugt werden hierfür Schmelzfolien aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) verwendet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Kopplungselement und Bauteil mittels eines Gießharzes verklebt, bei dem es sich insbesondere um ein reaktives Polyurethansystem handeln kann. Die Verwendung eines Gießharzes als Klebstoff bietet den Vorteil, dass geringere Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit gestellt werden müssen, da das Gießharz Hohlräume zwischen Bauteil und Kopplungselement ausfüllt und nach der Aushärtung die Elemente dauerhaft und fest miteinander verbun- den sind.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung umfasst das Kopplungselement einen oder mehrere Streifen, die z.B. mittels Wasserstrahl aus einer Platte geschnitten sein können. Die Streifen sind so bemessen, dass sie im eingebauten Zustand in Umfangsrich- tung ein bis auf einen geringen Spalt geschlossenes Kopplungselement bilden. Die Streifen eignen sich besonders, um sie an das erste Bauteil, das zweite Bauteil oder beide anzugießen. Dazu wird beispielsweise das erste Bauteil in seiner Position relativ zum zweiten Bauteil fixiert, der oder die Streifen lose in den Zwischenraum zwischen den Bauteilen gelegt und mit einem Gießharz angegossen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Verbindung zwischen Kopplungselement und Bauteil dadurch realisiert, dass das Kopplungselement bei seiner Herstellung an das erste Bauteil oder das zweite Bauteil angeschäumt wird. Selbstverständlich kann das Kopplungselement auf diese Weise auch mit beiden Bauteilen ver- bunden werden. In Abhängigkeit der Materialeigenschaften des Bauteils kann vor dem Anschäumen des Kopplungselements ein Haftvermittler auf die zu verbindenden Flächen des Bauteils aufgetragen werden.
Weiterhin bevorzugt wird eine Verbindung dadurch realisiert, dass das Bauteil während seiner Herstellung mit dem Kopplungselement verbunden wird. Eine solche Herstellungsweise ist beispielsweise möglich für ein Bauteil, das aus einem harten Kunststoff, z.B. einem thermoplastischen Polyurethan (TPU) gefertigt wird. In diesem Fall kann das separat hergestellte Kopplungselement in eine Form eingelegt und anschließend nach bekannten Verfahren umgössen oder umspritzt werden. Insbesondere bei Ver- wendung eines TPU-Werkstoffes ergibt sich aufgrund der Materialeigenschaften eine dauerhafte, feste Verbindung zwischen Bauteil und Kopplungselement. Auf chemische Haftvermittler kann in diesem Fall üblicherweise verzichtet werden.
Die TPU-Werkstoffe können auch in allgemein bekannten Mischungen mit weiteren thermoplastischen Kunststoffen, beispielsweise Polyolefinen, ABS- und/oder ASA- Kunststoffen, sowie Füllstoffen wie Glasfasern eingesetzt werden. Bevorzugt sind TPU- Werkstoffe mit Glasfaser-Beimischungen. Die TPU können auf bekannten Rohstoffen, beispielsweise den allgemein üblichen Isocyanaten, Polyolen, Kettenverlängerungsmitteln, Katalysatoren und Hilfsstoffen basieren. Die Dicke des TPU-Werkstoffes beträgt bevorzugt von 1 bis 15 mm, besonders bevorzugt von 3 bis 10 mm. In einem weiteren bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bei gleichzeitigen Verbindung des Bauteils mit dem Kopplungselement wird anstelle des TPU- Werkstoffes ein reaktives Polyurethansystem eingesetzt, das mittels der allgemein bekannten RIM-Technologie (Reaction Injection Molding) oder als klassisches Gießsystem verarbeitet werden kann. Da sich dieses Gießharz wie oben beschrieben auch gut als Klebstoff eignet, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein erstes Bauteil durch Angießen oder Anspritzen an das Kopplungselement hergestellt und im gleichen Arbeitsgang ein weiteres, bereits vorgefertigtes Bauteil mit dem Kopplungselement haftend verbunden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Bauteil und Kopplungselement durch Kraftschluss miteinander verbunden, indem die minimalen und maximalen radialen Dimensionen der Bauteile und des Kopplungselements so gewählt sind, dass sie unter Vorspannung ineinander fügbar sind. Im Fall überlappender Bauteile, bei denen der Innendurchmesser des ersten Bauteils größer ist als der Außendurchmesser des zweiten Bauteils, wird vorteilhaft das erste Bauteil mit dem Kopplungselement dadurch verbunden, dass der Außendurchmesser des Kopplungselements größer ist als der Innendurchmesser des ersten Bauteils. Analog wird vorteilhaft bei einer Verbindung mit dem zweiten Bauteil der Innendurchmesser des Kopplungselements kleiner gewählt als der Außendurchmesser des zweiten Bauteils. Beim Zusammenfügen wird das Kopplungselement vorgespannt und nach bekannten Verfahren an dem Bauteil angebracht. Das Kopplungselement kann auch zunächst mit dem ersten Bauteil oder dem zweiten Bauteil oder beiden verbunden und anschließend vorgespannt werden. Ein Beispiel hierfür ist das Kalibrieren eines kreisförmigen, äußeren ersten Bauteils, das durch eine sich im Durchmesser verjüngende Matrize gepresst wird. In Folge der Um- formung des ersten Bauteils wird das Kopplungselement in radialer Richtung vorgespannt. Analog kann ein inneres zweites Bauteil durch Aufschieben auf einen sich im Durchmesser vergrößernden Dorn beispielsweise aufgeweitet werden, was ebenfalls dazu führt, dass das Kopplungselement vorkomprimiert wird. Die Vorkompression des Kopplungselements liegt bevorzugt im Bereich von 5 bis 50%, insbesondere von 5 bis 35 %, bezogen auf das ursprüngliche, unkomprimierte Volumen des Kopplungselements.
Eine weitere erfindungsgemäße Art der Verbindung zwischen Bauteil und Kopplungselement besteht darin, über die Formgebung einen Formschluss zu erzielen. Dies kann beispielsweise durch die geometrische Gestaltung des Bauteilquerschnitts erreicht werden, z.B. bei einem rechteckigen Innen- oder Außenprofil. Weiterhin kann ein Formschluss auch über Erhebungen und Vertiefungen in den sich berührenden Ober- flächen von Bauteil und Kopplungselement realisiert werden. Die Ermittlung des Umkreises erfolgt in diesem Fall auf Basis der radial größten Ausdehnung der Berührungsfläche zwischen innerem Bauteil und Kopplungselement, beispielsweise von Erhebungen auf der äußeren Oberfläche des inneren Bauteils. Analog wird der Inkreis auf Grundlage der radial kleinsten Ausdehnung der Berührungsfläche zwischen äußerem Bauteil und Kopplungselement ermittelt, beispielsweise von Erhebungen auf der inneren Oberfläche des äußeren Bauteils.
Selbstverständlich können die unterschiedlichen Verbindungsarten auch kombiniert werden, beispielsweise indem die Verbindung zwischen erstem Bauteil und Kopplungselement auf Verklebung und die Verbindung zwischen zweitem Bauteil und Kopplungselement auf Kraftschluss oder Formschluss beruht. Eine formschlüssige Verbindung kann überdies zusätzlich verklebt sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kopplungselement Versteifungselemente auf, die dazu dienen, die Verdrehsteifigkeit der Vorrichtung gezielt zu beeinflussen. Bevorzugt befinden sich die Versteifungselemente im Inneren des Kopplungselements. Besonders bevorzugt sind sie im Wesentlichen in Richtung der Achse angeordnet. Derartige Versteifungselemente können aus Stiften bestehen, die unterschiedliche Längen und Querschnittsprofile aufweisen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Versteifungselemente im selben Arbeitsschritt hergestellt wie die Verbindung des Kopplungselements mit mindestens einem Bauteil. Eine mögliche Realisierung besteht darin, zunächst bei der Herstellung des Kopplungselements Hohlräume auszusparen. Bei der Verbindung von Kopplungselement und erstem oder zweitem Bauteil kann ein Gießharz verwendet werden, um einerseits die Verbindung herzustellen und im selben Arbeitsgang die Hohlräume im Kopplungselement auszufüllen. Nach Aushärtung des Gießharzes sind somit Versteifungselemente im Kopplungselement entstanden. Gegenüber dem bekannten Verfah- ren des Einpressens von Kunststoff stiften als Versteifungselemente bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass kein separates Element hergestellt werden muss und ein zusätzlicher Arbeitsschritt wie das Einpressen nebst den notwendigen Werkzeugen entfällt. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, das ein Lenkrad, eine Lenkwelle sowie ein Lenkgetriebe umfasst. Erfindungsgemäß ist in dem Kraftübertragungsweg vom Lenkrad über die Lenkwelle zum Lenkgetriebe mindestens eine Vorrichtung wie oben beschrieben vorhanden, um einerseits Vibrationen vom Lenkrad und dem Fahrzeuginnenraum zu dämpfen und andererseits die über das Lenkrad erzeugte Drehbewegung auf das Lenkgetriebe zu übertragen. Vibrationen können dabei beispielsweise durch Fahrbahnanregungen in das Lenksystem eingetragen werden oder auch von den Komponenten des Lenksystems selbst erzeugt werden. Die Lenkwelle kann aus mehreren Abschnitten bestehen, die beispielsweise durch Kardangelenke unterteilt sind, wie in Fig. 13 näher erläutert. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Lenkwelle oder ein Abschnitt der Lenkwelle ein stangenformiges Element im Sinne der oben dargestellten Erfindung dar. Das Kopplungselement wird dabei direkt an der Lenkwelle oder einem Abschnitt der Lenkwelle als erstem Bauteil befestigt. Das zweite Bauteil kann ein weiterer Abschnitt der Lenkwelle, ein Kardangelenk oder ein anderes Element im Kraftübertragungsweg vom Lenkrad zum Lenkgetriebe sein. Bei dem zweiten Bauteil kann es sich auch um eine Buchse handeln, die wiederum mit einem Abschnitt der Lenkwelle, einem Kardangelenk oder einem anderen Element verbunden ist, beispielsweise durch Festsitz nach dem Einpressen in oder auf eine entsprechende Aufnahmevorrichtung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Bauteil, dem zweiten Bauteil oder beiden um eine Buchse, die mit dem Kopplungselement verbunden ist. Die Buchse ist dabei so gestaltet, dass sie nach bekannten Verfahren fest mit der Lenkwelle, einem Abschnitt der Lenkwelle, einem Kardangelenk oder einem anderen Element im Kraftübertragungsweg vom Lenkrad zum Lenkgetriebe verbunden werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch umgesetzt werden, dass die Buchse als Außenbuchse einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Innendurchmesser einer entsprechenden Aufnahmevorrichtung, z.B. eines Abschnitts der Lenkwelle. Die Verbindung von Buchse und z.B. Abschnitt der Lenkwelle kann aber auch dadurch realisiert werden, dass die Buchse als Innenbuchse ein Gewinde aufweist, über das der Abschnitt der Lenkwelle angeschraubt wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Antriebsstrang, der ein Antriebsaggregat und ein oder mehrere Übertragungselemente umfasst, die ein Drehmoment übertragen. Erfindungsgemäß ist mindestens eines der Übertragungselemente mit einer Vorrichtung wie oben beschrieben versehen. Bei dem Antriebsaggregat kann es sich um jegliche Art von Aktuator handeln, der mechanische Leistung zur Verfügung stellt, z.B. Verbrennungsmotoren, elektrische, hydraulische oder pneumatische Motoren. Die Übertragungselemente können Wellen, Zahnräder, Klauen oder ähnliche Vorrichtungen sein, die die Leistung des Antriebsaggregats an andere Bauteile übertragen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vielfältig eingesetzt werden, Beispiele sind: mechatronische Antriebsstränge, z.B. zur Übertragung einer Drehbewegung, die von einem Elektromotor ausgeht und bei der hochfrequente Anteile des Drehmomentsignals oder der Weganregung abgekoppelt werden sollen; Abkopplung höherfrequenter Anteile aus hydraulischen Drehmomentquellen, z.B. Abkopplung sogenannter Hiss-Geräusche, die durch das Fließen des Öls in hydraulischen Anlagen angeregt werden;
Übertragung eines Drehmoments in mechanischen Anordnungen, z.B. vor oder hinter einem Kardangelenk, bei gleichzeitiger Abkopplung von höherfrequenten
Anteilen der Querkräfte;
Abkopplung von unerwünschten axialen oder radialen Anregungen bei gleichzeitiger Übertragung eines Drehmoments, z.B. die Reduzierung des Brummens aufgrund einer Eigenschwingung eines Bauteils oder die Verringerung von Getrie- begeräuschen;
Dämpfung von Drehmomentlastwechselvorgängen mit großer Amplitude, z.B. im Antriebsstrang von Motorrädern;
elektrohydraulische oder elektromechanische Lenksysteme, bei denen für die Fahrdynamik relevante quasistatische oder sehr niederfrequente (< 1 Hz) Dreh- bewegungen übertragen werden sollen bei gleichzeitiger Verringerung der Übertragung von Geräuschen der Servomotoren oder von Anregungen durch die Fahrbahnoberfläche ins Fahrzeuginnere;
Abkopplung von störenden Geräuschen und Anregungen aus Elektromotoren in Hybridantriebssträngen.
Gegenüber bekannten Vorrichtungen zur Übertragung von Drehmomenten, die mehrheitlich auf einem Kopplungselement aus Gummi basieren, bietet die Erfindung mehrere Vorteile: Die Spreizung der Verdrehsteifigkeit zu axialer und zu radialer Steifigkeit ist sowohl statisch als auch dynamisch besonders hoch im Vergleich zu volumeninkompressiblen Elastomeren. Dadurch können Drehmomente gezielt übertragen und gleichzeitig axiale und radiale Anregungen wie Vibrationen besser abgekoppelt werden. Eine niedrigere axiale Steifigkeit erleichtert die Herstellung eines Längenausgleichs, was insbesondere beim Einsatz in einem Antriebsstrang von Vorteil ist. Die Versteifung der Verdrehsteifigkeit als Vergleich zwischen statischer und dynamischer Steifigkeit ist dabei deutlich niedriger als bei Gummielementen, insbesondere bei kleinen Amplituden (<0.5°).
Bei gleichen Bauraumverhältnissen, maximalen Verdrehwinkeln und mindestens glei- eher Dauerfestigkeit sind höhere Verdrehsteifigkeiten erzielbar. Bei verdrehweichen Kopplungselementen lassen sich höhere Dauerfestigkeiten erreichen. Eine progressive Drehmoment-Verdrehwinkelkennlinie kann ähnlich wie bei Gummi-Elementen durch geometrische Maßnahmen wie der inneren und äußeren Profilgebung oder dem Zusatz von Versteifungselementen erreicht werden, die Volumenkompressibilität begünstigt jedoch die Erzielung hoher maximaler Verdrehwinkel und hoher Lebensdauern. Zudem ergibt sich ein Gewichtsvorteil gegenüber bekannten volumenkompressiblen Elastomeren. Eigenschaften wie Spreizung, Dämpfungswerte und Versteifung lassen sich über Maßnahmen wie radiale Vorkompression, Profilgebung des Kopplungselements und die Wahl der Raumdichte des zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukts einstellen. Die Bauteilkontinuumsresonanzen des Bauteils liegen in wesentlich höheren Frequenzbereichen als bei vergleichbaren Gummibauteilen. Dadurch lassen sich hochfrequente Anteile (größer 100 Hz) torsionsartiger, radialer und axialer Anregungen besser abkoppeln. Von besonderem Vorteil ist die Verwendung eines zelligen Polyisocyanat-Poly- additionsprodukts auf der Basis von NDI als Kopplungselement aufgrund seiner Dauerfestigkeitseigenschaften bei Scher- und Druckbeanspruchung, der Versteifungseigenschaften, seines Setzungsverhaltens, der Weiterreißfestigkeit, hoher Energieabsorption bei Kompression bis in die Progression, sowie der Medien- und Temperaturbeständig- keit.
Anhand der Zeichnungen wird im Folgenden die Erfindung weiter erläutert, wobei die Zeichnungen als Prinzipdarstellungen zu verstehen sind. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Aus- gestaltungsvarianten von Bauteilen dar. Es zeigen:
Fig. 1 : Beispiel einer Ausführungsform mit kreisrunden Querschnitten
Fig. 2: Beispiel einer Ausführungsform mit quadratischen Querschnitten
Fig. 3-5: Quadratische Querschnittsprofile erfindungsgemäßer Ausführungsformen Fig. 6-7: Achteckige Querschnittsprofile erfindungsgemäßer Ausführungsformen
Fig. 8-10: Kombinierte Querschnittsprofile erfindungsgemäßer Ausführungsformen
Fig. 1 1 : Querschnittsprofile einer weiteren Ausführungsform
Fig. 12: Beispiel einer Ausführungsform mit Versteifungselementen
Fig. 13: Beispiel eines Lenksystems mit erfindungsgemäßer Vorrichtung
Fig. 14-15: Verbindung von Lenkwelle und Kardangelenk bei einem Lenksystem für
Kraftfahrzeuge gemäß Stand der Technik
Fig. 16-17: Erfindungsgemäße Ausführungsform einer Verbindung von Lenkwelle und
Kardangelenk bei einem Lenksystem für Kraftfahrzeuge Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . Ein stangenformiges Element bildet ein erstes Bauteil 10, das um eine Achse A drehbar ist. Bei dem Element kann es sich beispielsweise um eine Welle handeln, die in eine Drehbewegung um die Achse A versetzt werden kann. In radialer Richtung außen um das erste Bauteil 10 herum ist ein zweites Bauteil 20 angeordnet, das ebenfalls um die Achse A drehbar ist. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist das zweite Bauteil 20 in Form einer Buchse gestaltet. Der Zwischenraum zwischen erstem Bauteil 10 und zweitem Bauteil 20 ist mit einem zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt als Kopplungselement 30 ausgefüllt. Wird das erste Bauteil 10 in eine Drehbewegung versetzt, so wird das Drehmoment durch das Kopplungselement 30 auf das zweite Bauteil 20 übertragen. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform haben die Berührungsfläche 1 1 zwischen erstem Bauteil 10 und Kopplungselement 30 sowie die Berührungsfläche 21 zwischen zweitem Bauteil 20 und Kopplungselement 30, im Querschnitt senkrecht zur Achse A betrachtet, die Form von konzentrischen Kreisen. Umkreis und Inkreis sind mit den jeweiligen Querschnitte identisch.
Fig. 2 stellt eine Prinzipskizze einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung 1 dar. Der Unterschied zur Ausführungsform in Fig. 1 besteht darin, dass die Querschnitte der Berührungsflächen des ersten Bauteils 10 und des zweiten Bauteils 20 mit dem Kopplungselement 30 im Wesentlichen quadratisch sind. Lediglich die Ecken sind gerundet ausgestaltet. Wie sich die Durchmesser von Umkreis zu Inkreis verhalten, hängt von der jeweiligen Kantenlänge der quadratischen Querschnittsfläche ab.
Fig. 3 zeigt die Berührungsfläche 1 1 eines ersten Bauteils sowie die Berührungsfläche 21 eines zweiten Bauteils mit dem Kopplungselement im Querschnitt senkrecht zur Achse A. Das zweite Bauteil umhüllt das erste Bauteil in radialer Richtung. Die Außenkontur des zweiten, äußeren Bauteils ist nicht dargestellt. Ebenso ist die Innenkontur des ersten, inneren Bauteils nicht dargestellt. Der Raum zwischen den beiden Berührungsflächen 1 1 und 21 ist mit Elastomer gefüllt und wird im Folgenden als Elasto- merfläche 31 bezeichnet. Der Umkreis 12 um die äußere Kontur des Querschnitts der Berührungsfläche 1 1 des inneren Bauteils sowie der Inkreis 22 an die innere Kontur des Querschnitts der Berührungsfläche 21 des äußeren Bauteils sind gestrichelt dargestellt. Im Fall der in Fig. 3 dargestellten Querschnittsprofile beträgt der Durchmesser des Umkreises 12 ca. 73 % des Durchmessers des Inkreises 22.
Fig. 4 zeigt einen analogen Sachverhalt wie Fig. 3 dar, allerdings für den Sonderfall, dass Umkreis und Inkreis identisch sind. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 ist der Durchmesser des Umkreises größer als der Durchmesser des Inkreises, und zwar um 20 % für die konkret dargestellten Abmessungen. Die Darstellungen der Fig. 3 bis 5 sind maßstäblich, wobei der Querschnitt der Berührungsfläche 1 1 des inneren Bauteils mit dem Kopplungselement jeweils identisch ist.
Die Darstellungen in den Fig. 6 bis 7 entsprechen denen in den Fig. 3 bis 4 mit dem Unterschied, dass anstelle der quadratischen achteckige Querschnitte der Berührungs- flächen 1 1 und 21 betrachtet werden. Bei der in Fig. 6 dargestellten Konfiguration beträgt der Durchmesser des Umkreises 12 ca. 84 % des Durchmessers des Inkreises 22. Fig. 7 zeigt den Sonderfall, bei dem Umkreis und Inkreis identisch sind. Aus einem Vergleich mit Fig. 4 wird ersichtlich, dass im Fall achteckiger Querschnittsprofile bei gleichem Verhältnis von Umkreis zu Inkreis sowohl Wandstärke des Elastomers als auch die gesamte Elastomerfläche 31 deutlich kleiner ist. Bei achteckigen Querschnittsprofilen ist es zwar möglich, dass der Umkreis 12 größer ist als der Inkreis 22, allerdings nähern sich die Berührungsflächen 1 1 und 21 dabei so stark an, dass die minimale Wandstärke nur noch für große Durchmesser eingehalten werden kann.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen weitere Beispiele erfindungsgemäßer Ausführungsformen. Die Querschnittsprofile der Berührungsflächen 1 1 und 12 sind in diesen Fällen unterschied- lieh. Im Fig. 8 ist die Berührungsfläche 1 1 zwischen innerem Bauteil und Kopplungselement quadratisch, während die Berührungsfläche 21 zwischen äußerem Bauteil und Kopplungselement achteckig ist. Der Durchmesser des Umkreises 12 beträgt ca. 83 % des Durchmessers des Inkreises 22. Bei der in Fig. 9 dargestellten Anordnung ist der Querschnitt der äußeren Berührungsfläche kreisförmig und daher mit ihrem Inkreis identisch. In Fig. 10 ist der umgekehrte Fall dargestellt, dass der Querschnitt der inneren Berührungsfläche kreisförmig ist und somit mit seinem Umkreis identisch ist. Beiden Fällen ist gemein, dass der Durchmesser des Umkreises nicht größer als der Durchmesser des Inkreises sein kann. Ihr Ver- hältnis bestimmt sich aus der Wahl der minimalen Wandstärke des Elastomers.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind allerdings nicht auf die oben genannten Geometrien beschränkt. Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 1 1 dargestellt. Der Querschnitt der Berührungsfläche 21 von äu- ßerem Bauteil und Kopplungselement ist sechseckig, während der Querschnitt der Berührungsfläche 1 1 von innerem Bauteil und Kopplungselement ein Viereck mit konkaven Seiten darstellt. Der Umkreis 12 wird um die äußere Kontur des Querschnitts der Berührungsfläche 1 1 gelegt. In Fig. 12 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt, die neben einem ersten Bauteil 10, zweiten Bauteil 20 und Kopplungselement 30 Versteifungselemente 41 , 42 aufweist, die dazu dienen, die Verdrehsteifigkeit des Kopplungselements 30 zu erhöhen. Ein Versteifungselement 41 ist mit dem ersten Bauteil verbunden und umschließt dieses vollständig. Zur Bestimmung des Umkreises ist in diesem Fall die äußere Kontur des Querschnitts der Berührungsfläche zwischen Versteifungselement 41 und Kopplungselement 30 heranzuziehen. Die weiteren Versteifungselemente 42 sind im Querschnitt betrachtet vollständig von elastomerem Material umschlossen. Da sie weder mit dem ersten Bauteil 10 noch mit dem zweiten Bauteil 20 fest verbunden sind, finden sie bei der Betrachtung des Verhältnisses von Umkreis zu Inkreis keine Berücksichtigung. Eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft Lenksysteme von Kraftfahrzeugen, wie sie in Fig. 13 schematisch dargestellt sind. Üblicherweise umfasst ein Lenksystem ein Lenkrad 51 sowie eine Übertragungsvorrichtung zur Übertragung von Lenkeingaben durch den Fahrer vom Lenkrad 51 zu den Reifen 57 des Fahrzeugs. Die Übertragungsvorrichtung umfasst ein Lenkgetriebe 52 und eine mechanische Lenkwelle 54, wobei die Lenkwelle 54 dazu dient, am Lenkrad 51 aufgegebene Drehbewegungen auf eine Eingangswelle 59 des Lenkgetriebes 52 zu übertragen. Das Lenkgetriebe 52 kann auf einem Vorderachsfahrschemel 53 oder direkt an der Karosserie 58 des Fahrzeugs befestigt sein. Häufig ist die Lenkwelle 54 durch ein oder mehrere Kardangelenke 55 in zwei oder mehrere Abschnitte unterteilt. In die Wellenabschnitte können drehelastische Kupplungen 56 integriert sein. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Lenksystems ist in dem Kraftübertragungsweg vom Lenkrad 51 über die Lenkwelle 54 zum Lenkgetriebe 52 mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorhanden, beispielsweise als drehelastische Kupplung 56.
Die Wirkung von Fahrbahnunebenheiten auf die Fahrzeugräder, Bewegungen des Lenkgetriebes gegenüber der Karosserie oder der Betrieb von hydraulischen oder e- lektrischen Aggregaten in Servolenkungssystemen können störende schwingungstechnische Anregungen in die Lenkwelle eintragen. Derartige Anregungen können in axialer und radialer Richtung sowie in Richtung einer Rotation um die Längsachse der Lenkwelle eingetragen werden. Über die Lenkwelle können sie bis zum Lenkrad übertragen und dort als unangenehme Stöße und Schwingungen vom Fahrer wahrgenommen werden. Die Anregungen können sich in Form von Körperschallsignalen bis zum Lenkrad oder über die Lenksäulenlager an andere Stellen im Fahrzeuginnenraum fort- pflanzen und dort als die Fahrzeuginsassen störende Luftschallsignale abgestrahlt werden. Beispielsweise kann so genanntes Fahrwerkstuckern, d.h. resonanzbedingte Relativbewegungen des Fahrschemels zur Karosserie oder den Fahrzeugrädern zu unangenehmen Vibrationen am Lenkrad führen. Weiterhin können sich Ölströmungen in hydraulischen Lenkungen als so genannte Hiss-Geräusche im Fahrzeuginnenraum bemerkbar machen.
Bei der Auslegung von Lenksystemen werden unter anderem die Ziele verfolgt, dass zum einen ein möglichst direktes Lenkgefühl erreicht werden soll, und zum anderen störende schwingungstechnische Anregungen von Lenkrad und Fahrzeuginnenraum isoliert werden sollen. Für die Erzielung eines direkten Lenkgefühls ist eine hohe Ver- drehsteifigkeit der Lenkwelle im quasistatischen Fall und im dynamischen Fall bis ca. 5 Hz bei Verdrehamplituden bis 2° vorteilhaft. Für die Isolation störender Schwingungen ist es vorteilhaft, eine möglichst niedrige Verdrehsteifigkeit der Lenkwelle im höherfre- quenten Bereich größer 5 Hz bei Verdrehamplituden deutlich kleiner 1 ° zu erzielen und in der Lenkwelle in axialer und radialer Richtung niedrige Steifigkeiten zu erhalten. Die konstruktive Umsetzung der niedrigen axialen und radialen Steifigkeiten in der Lenkwelle wird so gestaltet und mit der Lagerung der Lenkwelle gegenüber der Karosserie kombiniert, dass die Drehachsen der Lenkwelle stabil geführt sind und die Abschnitte der Lenkwelle in Folge einer Beaufschlagung mit Drehmomenten nicht zu Ausweichbewegungen neigen. Bei der Auslegung wird angestrebt, die quasistatische und niedrigfrequente Verdrehsteifigkeit zu maximieren, um ein direktes Lenkgefühl zu erzeugen, gleichzeitig jedoch gerade so hoch zu wählen, dass bei der mit der Auslegung verbundenen höherfre- quenten Verdrehsteifigkeit sowie den mit der Auslegung verbundenen axialen und radialen Steifigkeiten eine ausreichende Isolation störender Schwingungen und Geräu- sehe gegeben ist.
Gegenüber bekannten Lösungen bietet die Verwendung erfindungsgemäßer Vorrichtungen in Lenksystemen den Vorteil, dass das Verhältnis aus Verdrehsteifigkeit im quasistatischen Fall oder bei niedrigen Frequenzen (kleiner 5 Hz) zur Verdrehsteifigkeit bei höheren Frequenzen (größer 5 Hz) aufgrund der Materialeigenschaften des zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukts höhere Werte annehmen kann. Ebenso kann das Verhältnis der Verdrehsteifigkeit zu den axialen und radialen Steifigkeiten höhere Werte annehmen. Dies ermöglicht eine bessere und individuellere Einstellung der Eigenschaften eines Lenksystems, insbesondere ein Ausbalancieren des Zielkonflikts zwischen dem Erreichen des direkten Lenkgefühls und der Isolation störender Anregungen.
Beispiel
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Lenksystems für Kraftfahrzeuge näher erläutert. Die Fig. 14 und 15 zeigen Teile unterschiedlicher Lenksysteme, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Ein Rohr 54 als Abschnitt einer Lenkwelle ist über ein Gummi-Metall-Verbundelement 60 mit einer Rohrgabel 55 als Teil eines Kar- dangelenks verbunden. Das Dämpfungselement 60 in Fig. 14 besteht aus einer inneren und einer äußeren Metallhülse, die gleich lang sind und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Sie wurden durch Anvulkanisieren einer Gummischicht elastisch miteinander verbunden. Die Bauteile wurden anschließend ineinander gepresst. In Fig. 15 weist das Dämpfungselement 61 eine Außenhülse aus Metall auf und ist direkt an das Rohr 54 anvulkanisiert. Ferner sind Versteifungselemente 62 in Form von Kunststoffstiften in die Gummischicht gepresst. Das zur Rohrgabel 55 weisende Ende des Rohrs 54 hat im Querschnitt ein quadratisches Profil und greift in eine quadratische Aussparung der Rohrgabel 55 ein. Im Ruhezustand berühren sich die quadratischen Profile von Rohr 54 und Rohrgabel 55 nicht. Bei einer Verdrehung des Rohres 54 relativ zur Rohrgabel 55 wird der Gummi im Dämpfungselement 60 bzw. 61 tordiert und überträgt ein Drehmoment zwischen Rohr 54 und Rohrgabel 55. Die quadratischen Profile wirken als Begrenzung der Auslenkung einer Drehbewegung, da sie sich berühren, wenn die Auslenkung zu stark wird. Sie dienen somit auch als mechanische Sicherung für den Fall des Versagens des Dämpfungselements.
In Fig. 16 ist ein Lenksystem für Kraftfahrzeuge dargestellt mit einer erfindungsgemä- ßen Vorrichtung, die ein Rohr 54 als erstes Bauteil 10, eine Außenbuchse als zweites Bauteil 20 sowie ein Kopplungselement 30 umfasst. Das Rohr ist aus Stahl gefertigt und hat einen Außendurchmesser von 25 mm. Das zweite Bauteil 20 ist ebenfalls in Stahl ausgeführt und weist eine Länge von 44 mm, einen Innendurchmesser von 35,7 mm auf sowie eine Wandstärke von 1 ,3 mm auf. Das Kopplungselement 30 wurde aus einem zelligen Polyisocyanat-Polyadditionsprodukt als hülsenförmiges Elastomerhalbzeug gefertigt. Seine Länge beträgt ebenfalls 44 mm bei einem Innendurchmesser von 29 mm und einem Außendurchmesser von 34 mm.
Zur Herstellung der Vorrichtung wurde das Kopplungselement 30 zwischen erstes Bau- teil 10 und zweites Bauteil 20 eingesetzt und durch Umgießen mit einem Gießharz fest mit beiden Bauteilen verbunden. Anschließend wurde die Vorrichtung durch eine sich verjüngende Matrize gepresst, um die äußere Metallbuchse in radialer Richtung zu verjüngen. Dadurch wurde das Kopplungselement 30 in radialer Richtung vorgespannt. Fig. 17 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der das Kopplungselement 30 als plattenförmiges Elastomerhalbzeug gefertigt ist. Das äußere, zweite Bauteil 20 ist als Buchse aus einem gebogenen Blech ausgeführt. Das Blech ist nicht als Rohr geschlossen, sondern weist in axialer Richtung einen Schlitz auf, der erst nach Einpressen in eine entsprechende Aufnahmevorrichtung geschlossen wird.
Im Vergleich mit herkömmlichen Gummi-Metall-Verbundelementen weisen die erfindungsgemäßen Vorrichtungen die bereits oben angeführten Vorteile auf, insbesondere ein niedrigeres Verhältnis von dynamischer Verd rehsteif igkeit zu quasistatischer Ver- drehsteifigkeit. Darüber hinaus sind sie einfach zu fertigen und können flexibel dem jeweiligen Anforderungsprofil angepasst werden.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung umfassend ein erstes Bauteil (10) und ein zweites Bauteil (20), die um eine Achse (A) drehbar sind und sich in Richtung der Achse (A) zumindest teilweise überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (10) und das zweite Bauteil (20) in radialer Richtung über ein zelliges Polyisocyanat- Polyadditionsprodukt als Kopplungselement (30) verbunden sind, wobei der Umkreis (12) um den Querschnitt der Berührungsfläche von erstem Bauteil (10) und Kopplungselement (30) um höchstens 25 Prozent größer ist als der Durchmesser des Inkreises (22) an den Querschnitt der Berührungsfläche von zweitem Bauteil (20) und Kopplungselement (30).
Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Querschnitte der Flächen, an denen sich erstes Bauteil (10) und Kopplungselement (30) oder zweites Bauteil (20) und Kopplungselement (30) berühren, im Wesentlichen kreisförmig oder rechteckig sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Querschnitt der Berührungsfläche zwischen erstem Bauteil (10) und Kopplungselement (30) sowie der Querschnitt der Berührungsfläche zwischen zweitem Bauteil (20) und Kopplungselement (30) im Wesentlichen quadratisch sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, wobei es sich bei dem ersten Bauteil (10) oder dem zweiten Bauteil (20) um eine Buchse handelt, die aus Metall oder hartem Kunststoff gefertigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, wobei es sich bei dem ersten Bauteil (10) oder dem zweiten Bauteil (20) um ein stangenförmiges Element handelt, an dessen einem Ende ein Kopplungselement (30) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, wobei der Durchmesser des Umkreises (12) von 10 bis 90 mm, vorzugsweise von 15 bis 60 mm, insbesondere von 20 bis 40 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, wobei die Verbindung zwischen erstem Bauteil (10) und Kopplungselement (30) oder zweitem Bauteil (20) und Kopplungselement (30) durch Kraftschluss realisiert ist, indem die minimalen und maximalen radialen Dimensionen der Bauteile (10, 20) und des Kopplungselements (30) so gewählt sind, dass sie unter Vorspannung ineinander fügbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, wobei die Verbindung zwischen erstem Bauteil (10) und Kopplungselement (30) oder zweitem Bauteil (20) und Kopplungs- element (30) durch Verkleben realisiert ist, insbesondere mit einem Gießharz als Klebstoff.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, wobei die Verbindung zwischen erstem Bauteil (10) und Kopplungselement (30) und/oder die Verbindung zwischen zweitem Bauteil (20) und Kopplungselement (30) dadurch realisiert ist, dass das Kopplungselement (30) bei seiner Herstellung an das erste Bauteil (10) und/oder das zweite Bauteil (20) angeschäumt wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, wobei das Kopplungselement (30) Versteifungselemente (41 , 42) im Kopplungselements (30) aufweist, die im Wesentlichen in Richtung der Achse (A) angeordnet sind.
Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Lenkrad (51 ), eine Lenkwelle (54) sowie ein Lenkgetriebe (52), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kraftübertragungsweg vom Lenkrad (51 ) über die Lenkwelle (54) zum Lenkgetriebe (52) mindestens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorhanden ist.
Antriebsstrang umfassend ein Antriebsaggregat und ein oder mehrere Übertragungselemente, die ein Drehmoment übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Übertragungselement eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Übertragung eines Drehmoments von einem ersten Bauteil (10) auf ein zweites Bauteil (20).
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Übertragung eines Drehmoments von einem Lenkrad auf das Lenkgestänge in einem Kraftfahrzeug.
15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Übertragung eines Drehmoments von einem Antriebsaggregat auf ein Übertragungselement in einem Antriebsstrang.
PCT/EP2010/064971 2009-10-09 2010-10-07 Vorrichtung zur dämpfung und übertragung eines drehmoments Ceased WO2011042486A1 (de)

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EP09172714 2009-10-09
EP09172714.9 2009-10-09

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