Übergangsmodul zur Einbindung einer Antriebswelle und

Wellenanordnung

Die Erfindung betrifft ein Übergangsmodul zur Einbindung einer Antriebswelle in einen Antriebsstrang.

Antriebswellen dienen beispielsweise in Kraftfahrzeugen dazu, ein Moment zwischen dem Getriebe und einem

angetriebenen Rad beziehungsweise einem Differenzial zu übertragen. Üblicherweise werden solche Antriebswellen aus Metall hergestellt, da für die zu übertragenden Drehmomente von häufig mehreren lOOONm eine ausreichende Festigkeit der Antriebswellen erforderlich ist und der Einsatz und die Herstellung von metallischen Antriebswellen in der

industriellen Praxis seit vielen Jahren erprobt ist.

Zur Reduzierung des Gewichts der Antriebswelle ist

vorgeschlagen worden, Antriebswellen aus einem

Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus einem

Faserkunststoffverbünd herzustellen. Eine aus einem

Faserverbundwerkstoff hergestellte Antriebswelle kann zwar das notwendige Drehmoment übertragen, verformt sich aber ebenso wie beispielsweise eine Antriebswelle aus Metall ab einer kritischen Drehzahl insbesondere in einem mittleren Bereich der Welle und rotiert exzentrisch um die

Rotationsachse. Eine kostengünstige Lösung dieses Problems stellt die Vergrößerung des Durchmessers der üblicherweise als Hohlwelle ausgestalteten Antriebswelle dar. Allerdings ist der in dem Verbindungsbereich an den Enden der Antriebswelle vorhandene Bauraum oftmals begrenzt und eine Anbindung der aus einem Faserverbundwerkstoff

bestehenden Antriebswelle an weitere, in vielen Fällen hinsichtlich der Abmessungen normierte Komponenten eines Antriebsstrangs erforderlich, so dass eine entsprechende Vergrößerung der gesamten Antriebswelle in diesen

Endbereichen häufig nicht möglich ist. Zur Lösung dieses Problems ist vorgeschlagen worden, den Durchmesser der Antriebswelle in den Endbereichen entsprechend der

Baumraumvorgaben zu wählen und zur Mitte der Antriebswelle hin zu vergrößern.

Zur Herstellung auf diese Weise ausgeformter Antriebswellen können beispielsweise herkömmliche Wickeldorne verwendet werden, auf die ein Schaumstoffkern entsprechend der gewünschten Kontur der Antriebswelle aufgebracht und mit Hilfe einer geeigneten Wickelvorrichtung mit dem

Faserverbundwerkstoff umwickelt wird. Die bekannten

Herstellungsverfahren sind äußert aufwändig und

kostenintensiv. Zudem wird durch die Verwendung eines

Schaumstoffkerns viel zusätzliche Masse in die

Antriebswelle eingebracht, so dass die maximale Länge der Antriebswelle bezüglich einer maximal vorgesehen Drehzahl der Welle begrenzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Antriebswellen aus einem Faserverbundwerkstoff mit mindestens einer

Durchmesserveränderung der Antriebswelle so auszugestalten, dass eine einfache und kostengünstige Herstellung der Antriebswellen ohne Einschränkung der Wellenlänge

ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Übergangsmodul aus einem Faserverbundwerkstoff besteht und ein in einem ersten Verbindungsbereich angeordnetes erstes Verstärkungselement und ein in einem zweiten

Verbindungsbereich angeordnetes zweites Verstärkungselement aufweist, wobei die Verstärkungselemente jeweils dazu geeignet sind, eine drehfeste und biegesteife Verbindung des Übergangsmoduls mit der Antriebswelle und mit einem weiteren Element des Antriebsstrangs zu ermöglichen. Die Antriebswelle wird also mindestens an einem ihrer Enden drehfest und biegesteif mit dem Übergangsmodul verbunden. Durch die Einfügung eines solchen Übergangsmoduls wird die benötigte Länge der Antriebswelle im Vergleich zu der benötigten Länge einer Antriebswelle ohne Übergangsmodul verkürzt. Auf diese Weise wird die kritische Drehzahl der Antriebswelle erhöht, bei der eine um die Rotationsachse exzentrische Rotation auftritt.

Zudem ist es möglich, das Übergangsmodul in einem Bereich, in dem nur begrenzter Bauraum zur Verfügung steht, mit einem entsprechend kleinen Durchmesser zu versehen und diesen Durchmesser zu dem mit der Antriebswelle verbundenen Verbindungsbereich hin zu vergrößern, so dass die

eigentliche Antriebswelle einen bezüglich der kritischen Drehzahl günstigen Durchmesser aufweist. Auf diese Weise kann die Antriebswelle einen konstanten Durchmesser

aufweisen, wodurch die Produktionskosten der Antriebswellen erheblich gesenkt werden. Die Antriebswellen können auf herkömmlichen Wickeldornen ohne zusätzliche Schaumstoffkerne in beliebiger Länge hergestellt werden. Zur Herstellung der Übergangsmodule können ebenso herkömmliche Wickeldorne verwendet werden, auf die beispielsweise metallische Formkörper aufgeschoben werden, die die Innenkontur des Übergangsmoduls aufweisen. Diese metallischen Körper werden mit Hilfe einer

entsprechenden Wickelvorrichtung mit dem

Faserverbundwerkstoff umwickelt. Weist das Übergangsmodul einen kontinuierlich steigenden beziehungsweise

gleichbleibenden Durchmesser auf, so ist es ohne weiteres möglich, den metallischen Formkörper nach dem Wickelvorgang zu entfernen. Zur Anpassung der Durchmesser des Übergangsmoduls an die zu berücksichtigenden Bauraumrestriktionen und den benötigten Durchmesser der Antriebswelle ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Durchmesser des ersten

Verbindungsbereichs kleiner als ein Durchmesser des zweiten Verbindungsbereichs ist. Der Durchmesser des ersten

Verbindungsbereichs kann beispielsweise an vorhandene Bauraumrestriktionen angepasst sein, so dass das

Übergangsmodul in dem ersten Verbindungsbereich mit einem entsprechenden Verbindungselement, das beispielsweise mit einem Getriebe verbindbar ist, verbunden werden kann. Der Durchmesser in dem zweiten Verbindungsbereich kann dann an den Durchmesser der Antriebswelle angepasst sein.

Es ist aber auch möglich und in einigen Anwendungsfällen sinnvoll, dass der Durchmesser des ersten

Verbindungsbereichs größer als der Durchmesser des zweiten Verbindungsbereichs ist. Zur einfacheren Anpassung des Übergangsmoduls an den vorhandenen Bauraum sowie zur Vereinfachung der Herstellung des Übergangsmoduls ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, dass der erste Verbindungsbereich und der zweite

Verbindungsbereich durch einen Übergangsbereich verbunden sind, wobei sich der Übergangsbereich ausgehend von dem ersten Verbindungsbereich zu dem zweiten Verbindungsbereich erweitert .

Um die Herstellung zu vereinfachen und den

Herstellungsaufwand zu senken ist erfindungsgemäß

vorgesehen, dass eine Durchmesseränderung des

Übergangsbereichs eine näherungsweise hyperbolische

Krümmung aufweist. Ein solcher hyperbolisch gekrümmter Übergangsbereich lässt sich besonders einfach mit Hilfe herkömmlicher Wickelvorrichtungen aus Faserverbundwerkstoff herstellen . Zweckmäßigerweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das zweite Verstärkungselement an einer Innenseite des zweiten Verbindungsbereichs angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass das erste Verstärkungselement an einer Innenseite des ersten Verbindungsbereichs angeordnet ist. Das erste und das zweite Verstärkungselement können beispielsweise in Ringform aus Metall, einem Faserkunststoffverbünd oder einem entsprechenden Material hergestellt werden und durch Schrumpfen, Wickeln oder Pressen in die entsprechenden Verbindungsbereiche des Übergangsmoduls eingebracht werden.

Es ist aber auch möglich und in einigen Anwendungsfällen zweckmäßig, dass das zweite Verstärkungselement an einer Außenseite des zweiten Verbindungsbereichs angeordnet ist. Ebenso kann das erste Verstärkungselement an der

entsprechenden Außenseite des ersten Verbindungsbereichs angeordnet sein.

Um die Verbindung des Übergangsmoduls mit der Antriebswelle beziehungsweise mit dem weiteren Element des

Antriebsstrangs in dem ersten Verbindungsbereich und/oder dem zweiten Verbindungsbereich in der Fertigung weiter zu vereinfachen ist vorgesehen, dass das erste

Verstärkungselement und/oder das zweite Verstärkungselement mindestens teilweise von dem Faserverbundwerkstoff

umschlossen beziehungsweise angewickelt sind. Die

Verstärkungselemente können beispielsweise in einem ersten Wickelvorgang auf eine bereits gewickelte

Faserverbundwerkstoffschicht des Übergangsmoduls

aufgewickelt werden und anschließend in einem zweiten

Wickelvorgang weitere Lagen des Übergangsmoduls gewickelt werden .

Die Verbindungsbereiche können noch weiter dadurch

verstärkt werden, dass das erste Verstärkungselement und/oder das zweite Verstärkungselement mehrteilig

aufgebaut sind. Auf diese Weise kann ein erster Teil eines Verstärkungselements innerhalb einer

Faserverbundwerkstoffschicht und ein zweiter Teil an einer Innenseite des entsprechenden Verbindungsbereichs

angeordnet werden.

Zur Verbindung der Verstärkungselemente mit dem

Übergangsmodul ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass das erste Verstärkungselement an dem ersten Verbindungbereich und/oder das zweite Verstärkungselement an dem zweiten Verbindungsbereich aufgepresst oder angewickelt ist. Es ist aber auch möglich, die Verstärkungselemente beispielsweise durch Schrumpfen mit den Verbindungsbereichen zu verbinden. Zur einfacheren Herstellung der Übergangsmodule ist

erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste

Verstärkungselement und/oder das zweite Verstärkungselement ringförmig ausgestaltet sind. Ringförmige

Verstärkungselemente können insbesondere aus Metall sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Die Erfindung betrifft zudem eine Wellenanordnung mit einem Faserverbundwerkstoff . Wie eingangs beschrieben ist es zweckmäßig, den Durchmesser von Antriebswellen aus Faserverbundwerkstoff entsprechend einer kritischen Drehzahl zu wählen. Um eine möglichst kostengünstige Herstellung der als Antriebswelle

eingesetzten Hohlwelle zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hohlwelle in einem

Hohlwellenverbindungsbereich mit einem wie vorangehend beschriebenen Übergangsmodul drehfest und biegesteif verbunden ist. Um eine ausreichende Steifigkeit zur Übertragung der anliegenden Drehmomente zu gewährleisten, ist

vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Hohlwelle in dem Hohlwellenverbindungsbereich ein Verbindungsteil aufweist. Bei diesem Verbindungsteil kann es sich beispielsweise um einen Stützring aus Metall oder einem anderen geeigneten Werkstoff handeln, der in dem Hohlwellenverbindungsbereich auf die Hohlwelle aufgesteckt, an der Hohlwelle mit Stiften befestigt oder angewickelt wird. Das Verbindungsteil kann aber auch durch Pressen oder Schrumpfen mit der Hohlwelle verbunden werden. Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Übergangsmodul und die Hohlwelle Fasern aufweisen, wobei die Fasern des Übergangsmoduls anders ausgerichtet sind, als die Fasern der Hohlwelle. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der Fasern beziehungsweise der Wickelwinkel der Fasern für jeden Bereich entsprechend der jeweiligen

Anforderungen angepasst werden. Dadurch wird auch eine kostengünstige Herstellung der Übergangsmodule und der Hohlwellen ermöglicht. Es ist aber auch möglich und in einigen Anwendungsfällen zweckmäßig, dass das Übergangsmodul und die Hohlwelle

Fasern aufweisen, wobei die Fasern des Übergangsmoduls und die Fasern der Hohlwelle gleich ausgerichtet sind. Die Übergangsmodule und die Hohlwellen können einfach dadurch kostengünstig an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden, dass das Übergangsmodul und die Hohlwelle eine unterschiedliche Laminatdicke aufweisen. Auf diese Weise kann beispielsweise die Laminatdicke der Hohlwelle im Vergleich zu der Laminatdicke des Übergangsmoduls kleiner gewählt werden, so dass das Gewicht der Hohlwelle und die Herstellungskosten der Hohlwelle reduziert werden können. Es ist aber auch möglich, dass das Übergangsmodul und die Hohlwelle die gleiche Laminatdicke aufweisen.

Zur weiteren Senkung der Herstellungskosten ist

erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Übergangsmodul aus einem anderen Faserverbundwerkstoff besteht als die

Hohlwelle. Beispielsweise kann der Faserverbundwerkstoff der Hohlwelle eine andere Faserart beziehungsweise einen anderen Fasertyp aufweisen als der Faserverbundwerkstoff des Übergangsmoduls. Auf diese Weise kann entsprechend der jeweiligen Anforderungen der jeweilig kostengünstigste Faserverbundwerkstoff zur Herstellung der Übergangsmodule und der Hohlwellen gewählt werden. Es ist aber auch

möglich, für die Übergangsmodule und die Hohlwellen den gleichen Faserverbundwerkstoff einzusetzen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Hohlwelle oder das Übergangsmodul kraftschlüssig miteinander verbindbar sind. Es ist aber auch möglich, das Übergangsmodul und die

Hohlwelle formschlüssig miteinander zu verbinden.

Es ist denkbar und in einigen Anwendungsfällen zweckmäßig, dass die Hohlwelle längs eines Hohlwellenabschnitts einen geringfügig variierenden, beispielsweise konischen Verlauf aufweist. Auf diese Weise kann auch die Hohlwelle an vorhandene Bauraumrestriktionen einfach angepasst werden.

Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwei Übergangsmodule, wie vorangehend beschrieben, drehfest und biegesteif mit der Hohlwelle verbunden sind, wobei jeweils ein Übergangsmodul mit jeweils einem der beiden Enden der Hohlwelle verbunden ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des

Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt :

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wellenanordnung mit einer Hohlwelle und zwei Übergangsmodulen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Übergangsmoduls mit einer in einem Verbindungsbereich bearbeiteten

Fügefläche , Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Übergangsmoduls,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines

Verbindungsbereichs mit einem mehrteiligen, vollständig von einem Faserverbundwerkstoff umschlossenen

Verstärkungselement,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines

Verbindungsbereichs mit einem mehrteiligen, teilwei

einem Faserverbundwerkstoff umschlossenen

Verstärkungselement .

In Fig. 1 ist schematisch eine Wellenanordnung 1 bestehend aus einem ersten Übergangsmodul 2 und einem zweiten

Übergangsmodul 3 sowie einer Hohlwelle 4 dargestellt. Das erste Übergangsmodul 2 und das zweite Übergangsmodul 3 weisen jeweils in einem ersten Verbindungsbereich 5 des ersten Übergangsmoduls 2 und in einem ersten

Verbindungsbereich 6 des zweiten Übergangsmoduls 3 ein direkt an das erste Übergangsmodul 2 und das zweite

Übergangsmodul 3 angewickeltes erstes Verstärkungselement 7 auf. Die in dem ersten Verbindungsbereich 5 und dem ersten Verbindungsbereich 6 direkt angewickelten ersten Verstärkungselemente 7 sind durch die in diesem Bereich erhöhte Laminatdicke gekennzeichnet. Das Übergangsmodul 2 weist in einem zweiten Verbindungsbereich 8 ein direkt angewickeltes zweites Verstärkungselement 9 auf. Das

Übergangsmodul 2 ist in dem zweiten Verbindungsbereich 8 kraftschlüssig mit der Hohlwelle in einem ersten

Hohlwellenverbindungsbereich 10 verbunden. Der

Hohlwellenverbindungsbereich 10 weist ein direkt an die Hohlwelle angewickeltes Verbindungsteil 11 auf. Auf die gleiche Weise ist das zweite Übergangsmodul 3 in einem zweiten Verbindungsbereich 12 mit der Hohlwelle 4

verbunden. Das erste Übergangsmodul 2 und das zweite

Übergangsmodul 3 weisen je einen Übergangsbereich 13 mit einer näherungsweise hyperbolischen Form auf.

In Fig. 2 ist schematisch ein Übergangsmodul 14

dargestellt, das in einem ersten Verbindungsbereich 15 einen äußeren Stützring 16 als erstes Verstärkungselement aufweist. Der äußere Stützring 16 besteht aus Metall und ist beispielsweise durch Schrumpfen oder Pressen auf das

Übergangsmodul 14 aufbringbar. Der äußere Stützring 16 kann aber auch aus einem FaserkunststoffVerbundwerkstoff hergestellt sein. Das Übergangsmodul 14 weist in einem zweiten Verbindungsbereich 17 ein innen angeordnetes zweites Verstärkungselement 18 auf. Auch dieses

Verstärkungselement 18 kann beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein. Des Weiteren weist der zweite Verbindungsbereich 17 eine bearbeitete

Fügefläche 19 zur einfacheren Verbindung mit einer

Hohlwelle auf. Das Übergangsmodul 14 weist in einem

Übergangsbereich 13 eine näherungsweise hyperbolische Form auf . In Fig. 3 ist schematisch ein Übergangsmodul 14

dargestellt, das in dem ersten Verbindungsbereich 15 ein direkt angewickeltes erstes Verstärkungselement 7 und in dem zweiten Verbindungsbereich 17 ein direkt angewickeltes zweites Verstärkungselement 9 aufweist. Der

Übergangsbereich 13 des Übergangsmoduls 14 weist eine näherungsweise hyperbolische Form auf. Fig. 4 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines

Übergangsmoduls mit einem Verbindungsbereich 20. Bei dem Verbindungsbereich 20 kann es sich um einen ersten

Verbindungsbereich und/oder einen zweiten

Verbindungsbereich handeln. In dem Verbindungsbereich 20 ist ein aus einem ersten Teil 21 und einem zweiten Teil 22 bestehendes mehrteiliges Verstärkungselement angeordnet. Das erste Teil 21 und das zweite Teil 22 sind vollständig von dem Faserverbundwerkstoff umschlossen. In Fig. 5 ist schematisch ein Ausschnitt eines

Übergangsmoduls mit dem Verbindungsbereich 20 dargestellt. Der Verbindungsbereich 20 weist ein zweiteiliges

Verstärkungselement auf. Das erste Teil 21 ist auf einer Innenseite des Übergangsmoduls angeordnet. Das zweite Teil 22 ist vollständig innerhalb des Faserverbundwerkstoffs angeordnet. Ein auf diese Weise aufgebauter

Verbindungsbereich 20 kann sowohl als erster

Verbindungsbereich als auch als zweiter Verbindungsbereich eingesetzt werden.