DE4310008A1 - Drehmomentübertragende Gelenkanbindung für Antriebswellen oder mehrteilige Kardanwellen von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine drehmomentübertragende Ge­ lenkanbindung für Antriebswellen oder mehrteilige Kardan­ wellen von Kraftfahrzeugen mit einem Gleichlaufgelenk, bestehend aus einem Gelenkaußenteil, das mit einem ersten Wellenteil drehmomentfest verbunden ist, und einem Gelenk­ innenteil, das mit einem zweiten Wellenteil drehmomentfest verbunden ist, wobei letzteres eine geringere Werk­ stoffestigkeit aufweist als das aus Stahl bestehende Ge­ lenkinnenteil.

Es ist bekannt, daß zur Kraftübertragung im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen in der Regel die kraftübertragenden Bauteile wie drehmomentübertragende Gleichlaufgelenke, Antriebswellen und Kardanwellen in Stahl ausgeführt sind. Bei der drehmomentübertragenden Verbindung der Wellen­ segmente von Antriebswellen und Kardanwellen mit Gleich­ laufgelenken wird das Gelenkaußenteil mit einem ersten Wellenteil oder einem Getriebeflansch oder einer Radnabe drehmomentfest verbunden und das Gelenkinnenteil des Gleichlaufgelenks mit einem zweiten Wellenteil drehmoment­ fest verbunden. Das Gelenkinnenteil, das bei Kugeldrehge­ lenken eine Kugelnabe, bei Tripodegelenken einen Tripode­ stern darstellt, wird über eine Steck- bzw. Keilver­ zahnung, die in einer Innenbohrung des Gelenkinnenteils und am Ende des Wellenteils angebracht ist, drehmoment­ fest verbunden. Derartige drehmomentübertragende Gelenkan­ bindungen, die das Gelenkinnenteil und das zugeordnete Wellenteil drehmomentfest über eine Steck- bzw. Keilver­ zahnung verbinden, haben sich im Automobilbau in der Praxis bewährt. Antriebsleistung und die Antriebsmomente der Kraftfahrzeuge sind im Laufe der Kraftfahrzeugent­ wicklung ständig größer geworden. Der in neuerer Zeit einsetzende Einsatz von leichten Werkstoffen führt dazu, daß die drehmomentfesten Verbindungen zwischen Gelenken und Wellen, die auf den Einsatz des Werkstoffes Stahl ausgerichtet waren, neu überdacht werden müssen. Leichte Werkstoffe in diesem Zusammenhang sind Werkstoffe, die ein deutlich geringeres spezifisches Gewicht aufweisen als Stahl. Die Verwendung leichterer Werkstoffe führt zu Kraftfahrzeugen, die eine geringere Masse haben. Eine geringere Masse bedeutet geringeren Kraftstoffverbrauch. Es sind bereits Längswellen in Kraftfahrzeugen aus Faser­ verbundwerkstoffen und Aluminium zum Einsatz gekommen.

Die Kopplung eines Wellenteils, das aus einem Werkstoff mit geringerer Festigkeit und Härte als Stahl besteht, wie z. B. Aluminium, mit einem Gelenkinnenteil läßt sich über eine Keil- oder Steckverzahnung zwar in üblicher Weise herstellen, jedoch ist bei größerer Antriebsleistung damit zu rechnen, daß die Verzahnungen des Wellensegments den Leistungsansprüchen nicht standhalten und sich plastisch verformen oder abreißen.

In der EP 491 221 A1 ist eine drehmomentenübertragende Gelenkanbindung für Antriebshalbwellen oder mehrteilige Kardanwellen von Kraftfahrzeugen beschrieben, bei der Fragen der Werkstoffauswahl nicht berührt sind.

Die Gelenkanbindung umfaßt ein Kugelgleichlaufgelenk, das ein Gelenkaußenteil und ein Gelenkinnenteil aufweist, die jeweils in längsverlaufenden Bahnen drehmomentübertragende Kugeln führen, die wiederum in einem Kugelkäfig gehalten und von diesem gesteuert sind. Das Gelenkaußenteil ist mit einem ersten Wellenteil und das Gelenkinnenteil mit einem zweiten Wellenteil verbunden. Hierbei erfolgt die dreh­ momentenfeste Verbindung des zweiten Wellenteils mit dem Gelenkinnenteil über eine formschlüssige Stirnverzahnung an der Welle und an der Kugelnabe.

Hierbei ist sowohl das dem zweiten Wellenteil zugekehrte stirnseitige Ende des Gelenkinnenteils mit einer Stirnver­ zahnung versehen, als auch das von diesem Wellenteil abge­ kehrte stirnseitige Ende. Die erste Stirnverzahnung korrespondiert mit einer entsprechenden Stirnverzahnung am offenen Wellenende, die zweite Stirnverzahnung korrespon­ diert mit einer entsprechenden Stirnverzahnung eines Ge­ winderinges, der als Teil einer Verschraubung zum axialen Verspannen des zweiten Wellenteils mit dem Gelenkinnenteil dient. Die eigentliche Verspannung erfolgt dann mittels eines hülsenförmig ausgebildeten Gewindebolzens, dessen Außengewinde mit Innengewinden des zweiten Wellenteils und des Gelenkinnenteils korrespondiert. Hier besteht die Gefahr, daß bei Verwendung eines weniger harten und weniger festen Werkstoffes für das zweite Wellenteil im Bereich des hohlen Endes des zweiten Wellenteils bei Be­ lastung die ursprünglich drehmomentenfeste Verbindung zerstört werden kann.

Ein besonderer Schwachpunkt dieser vorgeschlagenen dreh­ momentfesten Verbindung im Falle des Einsatzes eines Wellenteils aus weniger festem und hartem Werkstoff ist das Innengewinde des hohlen Endes des Wellenteils. Hinzu kommt, daß bei der Herstellung dieser Gelenkanbindung erhebliche Arbeitsgänge notwendig sind, um die ent­ sprechenden Verzahnungen und Gewinde herzustellen und dann die Montage vorzunehmen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine dreh­ momentübertragende Gelenkanbindung für Antriebswellen oder mehrteilige Kardanwellen von Kraftfahrzeugen mit einem Gleichlaufgelenk, bei der das mit dem Gelenkinnenteil verbundene Wellenteil eine geringere Werkstoffestigkeit aufweist derart auszubilden, daß die Herstellung verein­ facht wird und die Gelenkanbindung hohen Belastungen bei der Drehmomentübertragung standhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine eine Verzahnung aufweisende Stirnfläche des auf einem Zentrierzapfen am Ende des zweiten Wellenteils sitzenden Gelenkinnenteils in eine eben hergestellte Stirnfläche des zweiten Wellenteils formschlüssig eingepreßt ist. Dabei verformt die die Verzahnung aufweisende Stirnfläche des Gelenkinnenteils die Gegenfläche des zweiten Wellenteils und bildet dabei einen Formschluß. Grundsätzlich können hierbei alle Kontaktflächen zwischen Gelenkinnenteil und zweitem Wellenteil zur Herstellung einer formschlüssigen drehmomentfesten Verbindung oder zu einer Preßdruckver­ bindung genutzt werden.

Im Anwendungsfall wird mit der Erfindung erreicht, daß zur Bildung eines Formschlusses zwischen einem Wellenteil und einem Gelenkinnenteil sich die härteren vorgefertigten Verzahnungsteile in das weichere Material des Wellenteils graben und somit ohne zusätzliche Arbeitsgänge einen Form­ schluß erzielen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß zusätzlich zu den formschlüssigen Verbindungen Preß­ druckverbindungen zwischen Gelenkinnenteil und Zentrier­ zapfen hergestellt werden können. Je nach Größe des zu übertragenden Drehmomentes lassen sich auf diese Weise alle Kontaktflächen zwischen Wellenende und Gelenk zur Herstellung einer drehmomentfesten Verbindung nutzen.

Die hiermit geschaffene Gelenkanbindung ist an den ge­ wählten Wellenwerkstoff in zweifacher Hinsicht angepaßt; einerseits in Bezug auf die verbesserte Übertragbarkeit hoher Drehmomente und andererseits im Hinblick auf eine verbilligte Herstellung. Es ist nur eine Stirnverzahnung am Gelenkinnenteil mechanisch auszubilden, die korrespon­ dierende Stirnverzahnung am Wellenende wird bei der Her­ stellung der Verbindung selber im Wege nicht spanender Umformung erzeugt.

Nach einer ersten Möglichkeit kann die Erzeugung der Stirnverzahnung am Wellenende mit den eingesetzten Ver­ spannmitteln, d. h. beim Herstellen einer Schrauben- Mutter-Verbindung erfolgen. Das Anziehen der Spannschraube führt zum Eindrücken der Zähne der Stirnverzahnung in das Wellenmaterial. Nach einer zweiten Verfahrensführung können Wellenende und Gelenkinnenteil mit besonderen Mittel axial verpreßt werden, was insbesondere dann sinn­ voll sein kann, wenn besonders tiefe Formeingriffe ge­ wünscht werden. Anschließend wird die Verspannung mit den gewünschten Verspannmitteln hergestellt, für die auch hier wiederum eine Schrauben-Mutter-Verbindung bevorzugt ist, die hierbei nur der Sicherung dient.

Im Hinblick auf das Material des Wellenendes ist es be­ sonders bevorzugt, die Gelenkanbindung so auszubilden, daß eine Schrauben-Mutter-Verbindung, die das Gelenkinnenteil gegenüber dem zweiten Wellenteil sichert, sich im Ende des zweiten Wellenteils formschlüssig oder kraftschlüssig abstützt. Das Wellenende ist dabei mit einem Innenabsatz mit einer Stützfläche zu versehen, gegen die sich insbe­ sondere eine Mutter anlegt, die gleichzeitig form- oder kraftschlüssig gegen Verdrehen im Wellenende gesichert ist. Eine derartige Verbindung ist zur Aufnahme der hohen Verspannkräfte geeignet, die insbesondere dann entstehen, wenn der Formschluß zwischen den Stirnflächen von Gelenk­ innenteil und Wellenende mittels der Verspannmittel her­ gestellt wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführung geht dahin, daß der Schaft der Schraube ein Übermaß seines Durchmessers be­ zogen auf den Innendurchmesser einer Längsbohrung des Zentrierzapfens aufweist, der infolgedessen kraftschlüssig im Gelenkinnenteil einsitzt. Dies bringt den Vorteil, daß beim Eindringen des Schraubenschafts in die Längsbohrung im Zentrierzapfen zusätzlich eine Preßverbindung zwischen der glatten Längsbohrung des Gelenkinnenteils und dem Zentrierzapfen des Wellenendes hergestellt wird. Das Dreh­ moment wird teilweise über die stirnseitige Verzahnung des Gelenkinnenteils und teilweise über die Preßverbindung zwischen Gelenkinnenteil und Zentrierzapfen übertragen. Auch hierbei können die Kontaktflächen des Wellenteils vorteilhafterweise plastisch verformt werden.

Eine weitere günstige Ausführung sieht vor, daß die Längs­ bohrung des Gelenkinnenteils zumindest teilweise eine Längsprofilierung aufweist, in die die außen glatt herge­ stellte Zylinderfläche des Zentrierzapfens am Ende des zweiten Wellenteils formschlüssig eingepreßt ist. Dies hat den Vorteil, daß eine weitere zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Zentrier­ zapfen erzeugt wird.

Diese formschlüssige Verbindung kann wiederum nach einer ersten bevorzugten Verfahrensführung während dem und durch das Herstellen einer Schrauben-Mutter-Verbindung zwischen Gelenkinnenteil und Wellenende entstehen. Eine andere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß zunächst die Teile axial verpreßt werden, wobei zunächst die Innenverzahnung des Gelenkinnenteils und dann die Stirnverzahnung des Gelenkinnenteils sich in das Material des Zentrierzapfens bzw. des Wellenendes eingraben und anschließend die Ver­ bindung mit der Schrauben-Mutter-Verbindung nur axial gesichert wird.

Nach einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist vorge­ sehen, daß das Ende des zweiten Wellenteils mit dem Zentrierzapfen und einer Abstützfläche für die Schrauben- Mutter-Verbindung getrennt von einem anschließenden Wellenrohr hergestellt und mit diesem - insbesondere durch Reibschweißen - verschweißt ist. Auf diese Weise ist es möglich, die erforderliche Formgebung, insbesondere den Innenabsatz am Wellenende und den anschließenden Zentrier­ zapfen an einem kurzen kompakten Werkstück herstellen zu können, während andererseits der Wellenkörper aus ein­ fachem abgelängtem Rohrmaterial bestehen kann. Außer einem Verschweißen der genannten Teile kommt auch ein Auf- oder Einpressen in Frage.

Eine alternative Ausgestaltung zum vorstehenden besteht darin, ein Rohrende - insbesondere mittels Kaltfließ­ pressen - so umzuformen, daß der Zentrierzapfen und die Abstützfläche für die Schrauben-Mutter-Verbindung am Ende eines einstückigen zweiten Wellenteils entsteht.

Als leichte Werkstoffe für die Herstellung der Wellen eignen sich Aluminium und Aluminiumlegierungen, allerdings sind auch andere Leichtmetallegierungen denkbar. Der Vor­ teil der Verwendung anderer Werkstoffe als Stahl ist darin gegeben, daß diese leichter als Stahl sind und dadurch beim Kraftfahrzeug Masse eingespart werden kann.

Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Gelenkanbindung nach dem Stand der Technik im Längsschnitt;

Fig. 2 eine Verbindung zwischen Wellenende und Gelenk­ innenteil mit eingedrückter Stirnverzahnung im Längsschnitt;

Fig. 3 eine Verbindung zwischen Wellenende und Gelenk­ innenteil mit eingedrückter Stirnverzahnung und Preßdruckverbindung im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt eine Gelenkanbindung der gattungsgemäßen Art, mit einem Kugelgleichlaufdrehgelenk, das ein Gelenk­ außenteil 1 und ein Gelenkinnenteil 5 umfaßt, in denen jeweils in längsverlaufenden Bahnen drehmomentübertragende Kugeln 21 geführt sind, die in einem Kugelkäfig 3 gehalten und mit diesem auf eine winkelhalbierende Ebene gesteuert werden.

Das Gelenkaußenteil 1 ist über ein Glocke 22 mit einem ersten Wellenteil 2 drehfest verbunden. Die Glocke 22 ist mit dem Gelenkaußenteil über Schrauben 23 verspannt. Die Glocke 22 und das Wellenteil 2 sind über eine Wellenver­ zahnung 24 drehfest miteinander im Eingriff und mittels einer Schraube 25 axial gesichert.

Mit dem Gelenkinnenteil 5 ist ein zweites Wellenteil 4 drehfest verbunden, wobei eine Wellenverzahnung 26 einen drehfesten Eingriff herstellt und ein Sicherungsring 27 der axialen Sicherung dient. Weitere Einzelheiten zur Abdichtung des Gelenkes nach außen sind nicht im einzelnen beschrieben.

Fig. 2 zeigt den Teil der Gelenkanbindung, der gemäß der Erfindung ausgeführt ist. Ein Wellenende 7 ist mit einem durchmesserkleineren Zentrierzapfen 6 in ein Gelenkinnen­ teil 5 eingesteckt. Eine Spannschraube 10, die eine axiale Verbindung zwischen Wellenende 7 und Gelenkinnenteil her­ stellt, liefert die notwendige Vorspannung, die zu einem Einformen einer Stirnverzahnung 8 am Gelenkinnenteil in die eben hergestellte Gegenfläche 9 am Wellenende 7 führt.

Die Vorspannung wird dadurch erzeugt, daß die Schraube 10 in eine in das offene Wellenende 7 eingepreßte Mutter 11 gedreht wird, die sich an einer Stützfläche 13 im Wellen­ ende 7 abstützt. Beim Einpressen der Stirnverzahnung 8 in die Gegenfläche 9 wird diese plastisch verformt, so daß eine drehmomentfeste Verbindung entsteht.

Fig. 3 zeigt eine andere Variante der Erfindung. Der Durchmesser des Schaftes 12 einer Paßschraube 10′ weist ein Übermaß gegenüber dem inneren Durchmesser des Zen­ trierzapfens 6 auf. Die beim Eindrehen der Paßschraube 10 entstehende radiale Vorspannung führt zu einem Anspreß­ druck zwischen Zentrierzapfen 6 und einer Innenfläche 15 des Gelenkinnenteils 5. Die übrigen Einzelheiten ent­ sprechen Fig. 2. Im Ergebnis entsteht nicht nur die plastische Verformung der Gegenfläche 9 des Wellenendes 7, sondern auch ein Preßsitz zwischen Zentrierzapfen 6 und der Innenfläche 15 des Gelenkinnenteils 5.

Bezugszeichenliste

1 Gelenkaußenteil
2 Wellenteil
3 Kugelkäfig
4 zweites Wellenteil
5 Kugelnabe
6 Wellenzapfen
7 Wellennabe
8 Stirnverzahnung
9 Anschlagfläche
10 Spannschraube
11 Mutter
12 Schaft
13 Stützfläche
14
15 Innenfläche
21 Kugel
22 Glocke
23 Schraube
24 Wellenverzahnung
25 Schraube
26 Wellenverzahnung
27 Sicherungsring

Claims (5)

1. Drehmomentenübertragende Gelenkanbindung für Antriebs­ wellen oder mehrteilige Kardanwellen von Kraftfahr­ zeugen mit einem Gleichlaufgelenk, bestehend aus einem Gelenkaußenteil (1), das mit einem ersten Wellenteil (2) drehmomentfest verbunden ist, und einem Gelenk­ innenteil (5), das mit einem zweiten Wellenteil (4) drehmomentfest verbunden ist, wobei letzteres eine geringere Werkstoffestigkeit aufweist als das aus Stahl bestehende Gelenkinnenteil, dadurch gekennzeichnet, daß eine eine Verzahnung aufweisende Stirnfläche (8) des auf einem Zentrierzapfen (6) am Ende des zweiten Wellenteils (4) sitzenden Gelenkinnenteils (5) in eine eben hergestellte Stirnfläche (9) des zweiten Wellen­ teils (4) formschlüssig eingepreßt ist.

2. Gelenkanbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schrauben-Mutter-Verbindung (10, 11) das Gelenkinnenteil (5) gegenüber dem zweiten Wellenteil (4) sichert, die sich im Ende (7) des zweiten Wellen­ teils (4) formschlüssig oder kraftschlüssig abstützt.

3. Gelenkanbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (12) der Schraube (10′) ein Übermaß bezogen auf den inneren Durchmesser des Zentrier­ zapfens (6) aufweist, der infolgedessen kraftschlüssig in einer Längsbohrung (15) des Gelenkinnenteils (5) einsitzt.

4. Gelenkanbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsbohrung (15) im Gelenkinnenteil (5) eine Längsprofilierung aufweist, in die die außen glatt hergestellte Zylinderfläche des Zentrierzapfens (6) am Ende (7) des zweiten Wellenteils (4) formschlüssig eingepreßt ist.

5. Gelenkanbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (7) des zweiten Wellenteils (4) mit dem Zentrierzapfen (6), der Stirnfläche (9) und einer Abstützfläche (13) für die Schrauben-Mutter-Verbindung (10, 11) getrennt von einem anschließenden Wellenrohr hergestellt und mit diesem verschweißt ist.