Drehmomentübertragungseinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Drehmomentübertragungsrichtung ist aus der DE 10 2004 051 340 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die aus der DE 10 2004 051 340 A1 bekannte Drehmomentübertragungseinrichtung, die bei einer Relativverdrehung der beiden Rohre in einem ersten Winkelbereich eine relativ flache Kennlinie und daran anschließend, einen Bereich starker Kennlinienprogression aufweist, so zu modifizieren, dass sie für weitere, insbesondere allgemeine Maschinenbauanwendungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die aus der DE 10 2004 051 340 A1 bekannte Drehmomentübertragungseinrichtung, die ein äußeres Rohr mit einem unkreisförmigen Innenumfang und ein in dem äußeren Rohr

angeordnetes inneres Rohr mit einem unkreisförmigen Außenumfang aufweist. Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „inneres Rohr" in der folgenden Beschreibung und in den Patentansprüchen so zu verstehen ist, dass es sich hierbei auch um eine Stange handeln kann, d.h. um ein Bauteil mit einem Vollquerschnitt. „Unkreisförmig" kann z. B. oval, mehreckig, „zahnartig" o. ä. bedeuten. Die beiden Rohre können beispielsweise einen Vieleckquerschnitt mit gleicher Eckenzahl aufweisen. Denkbar sind z. B. quadratische oder dreieckförmige Querschnitte.

Zwischen den beiden Rohren ist ein Zwischenraum vorgesehen. Der Zwischenraum kann sich in „Umfangsrichtung" der beiden Rohre erstrecken. Dadurch haben die beiden Rohre ein gewisses Relatiwerdrehspiel. So kann beispielsweise an der Innenseite des Außenrohrs eine „Innenverzahnung" und an der Außenseite des Innenrohrs eine in die Innenverzahnung eingreifende „Außenverzahnung" vorgesehen sein, wobei die „Verzahnungen" in Umfangsrichtung ein Zahnspiel aufweisen, durch das der „Zwischenraum" gebildet ist. Zusätzlich kann ein sich in radialer Richtung zwischen den beiden Rohren erstreckender Zwischenraum vorgesehen sein.

In dem Zwischenraum ist mindestens ein elastisches drahtkissenartiges Element angeordnet. Das drahtkissenartige Element verleiht der Drehmomentübertragungseinrichtung Feder- bzw. Dämpfungseigenschaften und verringert somit die die übertragung von Drehschwingungen von dem einen Rohr auf das andere Rohr bzw. umgekehrt.

Der Begriff „drahtkissenartiges Element" ist äußerst breit zu verstehen. Das drahtkissenartige Element kann z. B. die Struktur eines Geflechts, eines Gewirks oder eines Gestricks aufweisen. Es kann aus einem bzw. aus einer Vielzahl von Federstahldrähten hergestellt sein kann. Die einzelnen Federstahldrähte können identisch oder unterschiedlich gestaltet sein. Sie können abschnittsweise oder ganz mit einer Beschichtung, z.B. einem Elastomer, einer Gummierung o.a. versehenen sein, welche einem solchen

drahtkissenartigen Element eine hohe „innere Reibung" verleiht, sofern dies gewünscht ist. Dadurch kann gezielt die Dämpfungscharakteristik anwendungsspezifisch beeinflusst werden.

Bei geringen Relativverdrehwinkeln weist das mindestens eine drahtkissenartige Element eine geringe „Federhärte" auf. Das heißt, die Torsionskennlinie der „Tube-In-Tube-Anordnung" ist bei geringen Relativtorsionswinkeln flach. Wenn das mindestens eine drahtkissenartige Element ganz zusammengedrückt ist, d. h. wenn es auf „Block" geht, steigt die Torsionskennlinie steil an. Eine derartige Kennliniencharakteristik ist für verschiedene Anwendungen von Vorteil.

Ausgehend von einer derartigen Anordnung, die zum großen Teil aus der eingangs genannten DE 10 2004 051 340A1 bekannt ist, besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, die Drehmomentübertragungseinrichtung so zu gestalten, dass sie zusätzlich zu dem Drehfreiheitsgrad in Umfangsrichtung der beiden Rohre einen „Längenausgleich" in Rohrlängsrichtung ermöglicht und zwar auch während ihres Betriebs, d.h. auch „unter Drehmomentlast", was bei vielen Anwendungen erforderlich ist. Eine derartige Drehmomentübertragungseinrichtung kann in entsprechender Dimensionierung z.B. im Gelenkwellenstrang eines Fahrzeugs, in einem Lenkantrieb oder in einer Vielzahl anderer Maschinenbauanwendungen eingesetzt werden. Die Rohre der Drehmomentübertragungseinrichtung sind dabei so angeordnet, dass sie auch „unter Last", d.h. wenn Drehmoment von dem einen Rohr über das mindestens eine drahtkissenartige Element auf das andere Rohr übertragen wird, in Rohrlängsrichtung verschieblich zueinander sind.

Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, dass der Innenumfang des äußeren Rohrs und der Außenumfang des inneren Rohrs zumindest über eine gewisse Rohrlänge jeweils einen im Wesentlichen konstant bleibenden Querschnitt aufweisen, was ein gegenseitiges Verschieben der beiden

Rohre, d.h. ein „Gleiten" des einen Rohrs auf dem anderen Rohr in Rohrlängsrichtung ermöglicht. Wesentlich hierfür ist, dass Umfangsabschnitte des inneren Rohrs, welche bei einer Verdrehung der beiden Rohre eine Drehmomentübertragung bewirken, in entsprechend langen sich in Rohrlängsrichtung erstreckenden „Ausnehmungen" des äußeren Rohrs verschieblich sind. Haben die Umfangsabschnitte des inneren Rohrs, die eine Drehmomentübertragung bewirken, jeweils eine Länge „a" und soll die Drehmomentübertragungseinrichtung einen Verschiebeweg der Länge „s" ermöglichen, so müssen die Ausnehmungen im äußeren Rohr, in denen die entsprechenden Umfangsabschnitte des inneren Rohrs verschieblich sind, mindestens eine Länge „a+s" haben.

Für manche Anwendungen kann es auch sinnvoll sein, einen „gedämpften Endanschlag" vorzusehen. So können z.B. die axialen Enden der im äußeren Rohr vorgesehenen Ausnehmungen konisch, d.h. sich radial und/oder in Umfangsrichtung verjüngend gestaltet sein. Dies kann z.B. bei einer Anwendung der Drehmomentübertragungseinrichtung im Gelenkwellenstrang eines Fahrzeugs sinnvoll sein. Bei einem Crash kann es dazu kommen, dass die Gelenkwelle gestaucht wird. Eine in den Gelenkwellenstrang integrierte Drehmomentübertragungseinrichtung würde dann maximal zusammen geschoben werden und zwar weiter als dies in normalen Betriebssituationen der Fall ist. Die drehmomentübertragenden Abschnitte des inneren Rohrs würden in Axialrichtung auf Anschlag mit den axialen Enden der im äußeren Rohr vorgesehenen Ausnehmungen gehen. Um zu verhindern, dass dies schlagartig geschieht, kann es sinnvoll sein, die axialen Enden der Ausnehmungen sich verjüngend zu gestalten. Alternativ oder ergänzend dazu können auch Dämpfungselemente, z.B. drahtkissenartige Dämpfungselemente, Gummipuffer o.a. vorgesehen sein, die in einer solchen Situation das „Auftreffen" der drehmomentübertragenden Abschnitte des inneren Rohrs auf die axialen Enden der Ausnehmungen des äußeren Rohrs zumindest in gewissem Umfang dämpfen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine drahtkissenartige Element auf einem der beiden Rohre in Axialrichtung festgelegt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass sich das mindestens eine drahtkissenartige Element stets in einer eindeutig definierten Position befindet. Das mindestens eine drahtkissenartige Element kann z.B. auf dem Innenumfang des äußeren Rohrs oder auf dem Außenumfang des inneren Rohrs in Rohrlängsrichtung festgelegt sein; dementsprechend kann vorgesehen sein, dass das drahtkissenartige Element auf der Außenseite des inneren Rohrs bzw. auf der Innenseite des äußeren Rohrs in Rohrlängsrichtung verschieblich ist. Eine axiale Festlegung in jeder der beiden Richtungen kann z.B. durch durch einen Rohrabsatz, eine Wellenmutter, einen Sicherungsring etc. erreicht werden.

Vorzugsweise sind das Drahtkissen und die Außenseite des inneren Rohrs bzw. die Innenseite des äußeren Rohrs so aufeinander abgestimmt, dass sich ein möglichst geringer Reibungskoeffizient ergibt, insbesondere in Richtung des Verschiebefreiheitsgrades, d.h. in Rohrlängsrichtung. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass das drahtkissenartige Element und die Außenseite des inneren Rohrs bzw. die Innenseite des äußeren Rohrs mit einer reibungsarmen Beschichtung versehen sind. Zusätzlich können das drahtkissenartige Element und die Außenseite des inneren Rohrs bzw. die Innenseite des äußeren Rohrs mit einem Schmiermittel, z.B. mit einem Schmierfett, versehen sein.

Zur Minimierung axialer Reibung, d. h. zur Minimierung von Stick-Slipeffekten bei axialer Verschiebung der beiden Rohre sollten die beiden Rohre und das mindestens eine drahtkissenartige Element so aufeinander abgestimmt sein, dass zumindest in Betriebszuständen, in denen kein oder nur ein geringes Drehmoment übertragen wird, das mindestens eine drahtkissenartige Element im Wesentlichen radialspannungsfrei ist und kaum oder nur geringe Radialkräfte zwischen dem Innenumfang des äußeren Rohrs und dem Außenumfang des inneren Rohrs überträgt.

Aufgrund des niedrigen Reibkoeffizienten zwischen dem mindestens einen drahtkissenartigen Element und dem Außenumfang des inneren Rohrs bzw. dem Innenumfang des äußeren Rohrs treten kaum Stick-Slipeffekte auf, was bei einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten von Bedeutung ist, bei denen ein axialer Längenausgleich unter Drehmomentlast und eine Abfederung bzw. Dämpfung von Drehschwingungen zu leisten ist.

Prinzipiell ist auch denkbar, dass das mindestens eine drahtkissenartige Element sowohl auf dem Außenumfang des inneren Rohrs als auch auf dem Innenumfang des äußeren Rohrs axial festgelegt ist. In diesem Fall ist der mögliche Verschiebeweg der beiden Rohre aber auf den „axialen Elastizitätsweg" des drahtkissenartigen Elements begrenzt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Rohre relativ zueinander zentriert. Eine Zentrierung kann z.B. dadurch erreicht werden, dass Umfangsabschnitte des Innenumfangs des äußeren Rohrs und/oder Umfangsabschnitte des Außenumfangs des inneren Rohrs kreisförmig sind, wobei der Innenumfang des äußeren Rohrs in solchen Bereichen „flächig" am Außenumfang des inneren Rohrs anliegt und ähnlich wie bei einem Axialgleitlager darauf gleiten kann.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass lediglich eines der beiden Rohre in einzelnen Umfangsabschnitten kreisförmig gestaltet ist und das jeweils andere Rohr mit zugeordneten sickenartigen Einbuchungen oder Ausbuchtungen versehen ist, die an diesen kreisförmigen Abschnitten des anderen Rohrs anliegen.

In dem Zwischenraum zwischen den beiden Rohren kann genau ein einziges elastisches Drahtkissenartiges Element angeordnet sein, das sich manschettenartig bzw. strumpfartig um den Außenumfang des inneren Rohrs herum erstreckt. Anstelle eines einzigen schlauchförmigen „Drahtkissens"

kann auch ein „Gestrickband" direkt auch das innere Rohr aufgewickelt werden. Alternativ dazu können in dem Zwischenraum zwischen den beiden Rohren in Umfangsrichtung und/oder in Rohrlängsrichtung verteilt auch zwei oder mehrere blockartige bzw. ringsegmentartige drahtkissenartige Elemente angeordnet sein. In Falle ringartiger „Drahtkissenelemente" können diese über den Umfang unterschiedlich stark verpresst sein, wodurch sich die Kennlinie der Drehmomentübertragung optimieren lässt.

Zur Darstellung eines bestimmten Elastizitätsverhaltens können im Falle mehrerer elastischer drahtkissenartiger Elemente diese jeweils unterschiedliche Elastizitätskennlinien aufweisen. Die einzelnen drahtkissenartige Elemente können z.B. unterschiedlich gestaltet oder/und aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.

Wie bereits angedeutet, sind vielfältige Rohrquerschnittsformen denkbar. Alternativ zu ovalen, mehrkantigen oder verzahnten Rohrquerschnitten können auch Rohre mit mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Sicken verwendet werden. Die Sicken erstrecken sich in Rohrlängsrichtung und können z. B. durch Innenhochdruckumformung der Rohre hergestellt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine Tube-In-Tube-Welle gemäß der

Erfindung;

Figur 2 ein qualitative Darstellung des Kennlinienverlaufs der Tube-In¬

Tube-Welle der Figur 1 ; und

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Tube-In-Tube-Welle gemäß der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Tube-In-Tube-Welle 1 mit einem Außenrohr 2 und einem in das Außenrohr 2 eingeschobenen Innenrohr 3. Das Außenrohr 2 und das Innenrohr 3 sind im Wesentlichen komplementär zueinander gestaltet. Die beiden Rohre 2, 3 weisen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet mehrere sickenartige Ausformungen 2a-2d bzw. 3a-3d auf, die sich jeweils in Rohrlängsrichtung, d. h. senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Die sickenartigen Ausformungen 3a-3b des inneren Rohrs 3 greifen in die sickenartigen Ausformungen 2a-2d des Außenrohrs 2 ein. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist zwischen dem Außenrohr 2 und dem Innenrohr 3 ein Spalt vorgesehen, in dem ein elastisches Drahtkissen bzw. eine elastische „Drahthülse" 4 angeordnet ist, die der Form des Spalts angepasst ist.

Aufgrund des Zwischenraums zwischen den beiden Rohren 2, 3 können die beiden Rohre 2, 3 um einen vorgegebenen Winkel relativ zueinander verdreht werden. Dabei wird das Drahtkissen in einigen Bereichen komprimiert, in an deren Bereichen gestreckt. Bei geringen Relativverdrehwinkeln, die kleiner als αj (vgl. Fig. 2) sind, weist die Kennlinie einen relativ flachen Kennlinienverlauf auf. Bei einem Relativverdrehwinkel, der im Bereich von cti liegt, ist das Drahtkissen 4 nahezu vollständig zusammengedrückt. Das heißt, im Bereich von α ₍ geht das Drahtkissen auf „Block", was zu einem starken Anstieg der Kennlinie führt.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein einziges elastisches drahtkissenartiges Element vorgesehen, das sich manschettenartig um das Innenrohr 3 herum erstreckt.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Tube-In-Tube-Anordnung 1 , bei der das Außenrohr 2 mit mehreren in Umfangsrichtung voneinander beab- standeten taschenartigen Ausbuchtungen 5a, 5b versehen ist, deren radiale

Innenseiten 6a, 6b in Umfangsrichtung gesehen im Wesentlichen kreisförmig sind. Das Innenrohr 3 ist mit einer entsprechenden Anzahl taschenartiger Ausbuchtungen 7a, 7b versehen, deren radiale Außenseiten 8a, 8b ebenfalls kreisförmig gestaltet sind. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, erstrecken sich die taschenartigen Ausbuchtungen 7a, 7b in Umfangsrichtung gesehen über einen kürzeren Umfangsabschnitt als die taschenartigen Ausbuchtungen 5a, 5b, was eine Relativverdrehung des Außenrohres 2 in Bezug auf das Innenrohr 3 ermöglicht. Das Außenrohr 2 und das Innenrohr 3 können so beschaffen sein, dass die taschenartigen Ausbuchtungen 7a, 7b im Wesentlichen spielfrei in den taschenartigen Ausbuchtungen 6a, 6b gleiten können, wodurch eine Zentrierung des Innenrohrs 3 im Außenrohr 2 sichergestellt ist.

Um zu erreichen, dass das Außenrohr 2 in Bezug auf das Innenrohr 3 verschieblich ist, ist vorgesehen, dass die taschenartigen Ausbuchtungen 5a, 5b in Längsrichtung der Rohre 2, 3, d. h. senkrecht zur Zeichenebene gesehen länger sind als die taschenartigen Ausbuchtungen 7a, 7b des Innenrohrs 3. Haben die taschenartigen Ausbuchtungen 7a, 7b des Innenrohrs 3 jeweils eine Länge „a" und soll die Drehmomentübertragungseinrichtung einen Verschiebeweg der Länge „s" ermöglichen, so müssen die taschenartigen Ausbuchtungen 5a, 5b in Rohrlängsrichtung, d.h. senkrecht zur Zeichenebene, mindestens eine Länge „a+s" haben. Entsprechendes gilt natürlich auch für das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel.

Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, sind in Zwischenräumen zwischen den taschenartigen Ausbuchtungen 7a, 7b und den taschenartigen Ausbuchtungen 5a, 5b jeweils elastische drahtkissenartige Elemente 4a - 4d angeordnet, die bei einer Relativverdrehung der beiden Rohre 2, 3 die Drehbewegung bzw. Drehschwingung abfedern und dämpfen.

Zusätzlich ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel im Bereich zwischen zweier in Umfangsrichtung aufeinander folgender taschenartiger Ausbuchtungen 7a, 7b des Innenrohrs 3 im Bereich zwischen dem

Außenumfang des Innenrohrs 3 und dem Innenumfang des Außenrohrs 2 ein weiteres drahtkissenartiges Element 4e angeordnet, das hier nahezu „auf Block" zusammengepresst ist. Durch ein bzw. mehrere derartige über den Umfang verteilt angeordnete (blockgepresste) drahtkissenartige Elemente kann das Innenrohr 3 im Außenrohr 2 zentriert sein. Das „auf Block Pressen" kann nachträglich durch Einprägen einer Sicke 9 von der Außenseite des Außenrohrs 2 her erfolgen, was sehr kostengünstig ist.