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Flexible Übertragungswelle - Dokument DE10347998A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10347998A1 29.04.2004
Titel Flexible Übertragungswelle
Anmelder Scania CV AB, Södertälje, SE
Erfinder Bergström, Åke, Mariefred, SE;
Nahas, Joseph, Hägersten, SE
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Anmeldedatum 15.10.2003
DE-Aktenzeichen 10347998
Offenlegungstag 29.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.04.2004
IPC-Hauptklasse F16C 1/02
IPC-Nebenklasse F01P 5/04   
Zusammenfassung Die Übertragungswelle ist als Hohlwelle (2) ausgeführt und weist zumindest ein in ihrer Längsachse zusammendrückbares Organ (24, 26) auf, das einen integrierten Teil der Hohlwelle bildet. Ein elastisches Zusammendrücken jedes dieser flexiblen Organe (24, 26) in der Längsachse der Hohlwelle bewirkt eine Verringerung der Gesamtlänge der Übertragungswelle (gemessen zwischen den äußersten Endflächen (30, 32) der beiden Endbereiche der Welle) und die Erzeugung einer im jeweiligen Organ inhärenten Rückfederungskraft. Diese Rückfederungskraft ist bestrebt, die Organe (24, 26) in axialer Richtung bis zum nicht zusammengedrückten Ausgangszustand auszudehnen und dadurch die Welle wieder auf ihre ursprüngliche Gesamtlänge zu verlängern.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Übertragungswelle, wie sie in der Regel zur Übertragung von Antriebskraft oder (exakter ausgedrückt) Drehmoment von einem antreibenden auf ein angetriebenes Maschinenteil benutzt wird; dabei kann es sich z.B. um ein Paar Wellen oder Wellenzapfen handeln.

Der vorrangige Zweck der Erfindung besteht darin, eine leichte Übertragungswelle zu erhalten, die von einer Person allein von Hand und ohne Werkzeug schnell eingebaut werden kann, z.B. zwischen zwei Maschinenteilen, die miteinander verbunden (gekuppelt) sein und sich bei Betrieb gleichsinnig drehen sollen.

Des Weiteren soll die Übertragungswelle so ausgeführt und aus solchem Werkstoff hergestellt sein, dass sie keine regelmäßige Wartung erfordert.

Besonders in der Fahrzeugtechnik kann ein Anwendungsbereich für eine solche Übertragungswelle z.B. in der Verbindung eines Kühllüfters mit einem vom Motor angetriebenen Maschinenteil bestehen, wie einer von der Kurbelwelle des Motors über einen Antriebsriemen angetriebenen Riemenscheibe. Die Übertragungswelle muss dann zwischen einem Wellenzapfen für den Kühllüfter und einem Wellenzapfen an der Riemenscheibe angeordnet sein. Da der Kühllüfter in der Regel ungefedert, der Motor dagegen vibrationsgedämpft am Fahrgestell gelagert ist, muss die Übertragungswelle sowohl Winkelunterschiede zwischen den durch die Welle miteinander verbundenen Wellenzapfen als auch ein gewisses Maß an seitlich gerichteten Bewegungen zwischen diesen zufassen.

Die vorgenannten Zwecke erfüllt die in der Einleitung genannte Übertragungswelle durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Vorrangiges Kennzeichen der erfindungsgemäßen Übertragungswelle ist somit, dass sie als Hohlwelle ausgeführt ist, wobei der rohrförmige Teil mindestens ein als integrierter Teil der Welle ausgeführtes flexibles Organ umfasst, das in der Längsachse der Welle zusammendrückbar ausgeführt ist. Ein solches elastisches (axiales) Zusammendrücken des oder der flexiblen Organe bewirkt nicht nur eine Verringerung der Gesamtfänge der Übertragungswelle, sondern auch die Erzeugung einer inhärenten, axial gerichteten Rückfederungskraft (Vorspannkraft) in dem oder den flexiblen Organen. Diese Vorspannkraft strebt danach, das jeweilige flexible Organ wieder bis zum in Axialrichtung gesehen unbelasteten Ausgangszustand auszudehnen, d.h. die ursprüngliche Gesamtlänge der Übertragungswelle wieder herzustellen.

Vorgezogene Ausführungsformen der Übertragungswelle gemäß der Erfindung können außerdem die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale aufweisen.

So kann das bzw. jedes flexible Organ zweckmäßigerweise als diskus- oder scheibenähnliches Federorgan ausgeführt sein. Dieses kann z.B. aus einer Tellerfederanordnung in Form einer doppelseitigen Tellerfeder bestehen, die aus zwei am äußeren Umkreis zusammengefügten und geringfügig kegeligen Tellerfederscheiben gebildet wird, welche in ihren Innenrandbereichen direkt in die Hohlwelle übergehen, und wobei die Außenrandbereiche über einen konvex gewölbten Außenrandbereich ineinander übergehen.

Die Übertragungswelle, die z.B. aus Stahl oder einem Kompositwerkstoff hergestellt sein kann, ist vorzugsweise mit einem zusammendrückbaren, scheibenähnlichen, flexiblen Organ in ihrem jeweiligen Endbereich versehen. Wahlweise können ein oder mehrere flexible Organe in axialem Abstand voneinander innerhalb der Endbereiche der Übertragungswelle, z.B. ungefähr in der Mitte zwischen den Endbereichen der Welle, angeordnet sein. Bei einer vorgezogenen Ausführungsform hat die Übertragungswelle zwei flexible Organe, die jedes aus doppelten Tellerfederelementen bestehen, welche an den Befestigungskanten direkt in die Mantelwand der Hohlwelle übergehen und an den Außenkanten über einen gemeinsamen Außenrandbereich von vorzugsweise U-förmigem Querschnitt ineinander übergehen.

Um die Anwendung einer Übertragungswelle gemäß der Erfindung als einfach ein- und ausbaufähige Antriebsverbindung zwischen zwei koaxialen Wellenzapfen zu gestatten, muss die Welle so ausgeführt sein, dass (durch axiales Zusammendrücken) ihre Länge soweit verringert werden kann, dass ihre Gesamtlänge wenigstens etwas kürzer wird als der axiale Zwischenraum zwischen den einander zugewandten Endflächen der Wellenzapfen. Dieses Konstruktions- und Bemessungsprinzip lässt sich auch folgendermaßen ausdrücken: das oder die zur Übertragungswelle gehörenden, axial zusammendrückbaren, flexible Organe müssen zusammen etwas mehr zusammengedrückt werden können als der Summe der beiden Strecken entspricht, auf denen die Übertragungswelle (in ihrer betriebsfertigen Einbaulage) mit ihren rohrförmigen Endbereichen die durch die Welle kraftübertragend miteinander verbundenen Wellenzapfen überdeckt.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf einige in den beiliegenden Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele ausführlicher erläutert. Darin zeigen:

1 und 2 in perspektivischer Darstellung ein Beispiel für eine axial zusammendrückbare Übertragungswelle in eingebautem Betriebszustand zwischen einem Kühllüfter und einem antreibenden Wellenzapfen bzw. in ausgebauter Lage;

3, 4 und 5 in Seitenansicht die durch axiales Zusammendrücken verkürzte Übertragungswelle unmittelbar vor dem Einführen zwischen Lüfter und Antriebswellenzapfen, unmittelbar nach dem Einführen zwischen diesen bzw. axial erweitert in eingebauter Betriebsstellung zwischen dem Lüfter und dem Wellenzapfen;

6 und 7 in größerem Maßstab und teilweise als Längsschnitt eine Übertragungswelle in eingebauter und gesicherter Betriebsstellung bzw. – in noch größerem Maßstab – einen Endbereich der Übertragungswelle.

In 1 und 2 ist eine Anwendung dargestellt, bei der eine axial zusammendrückbare Übertragungswelle 2 gemäß der Efindung die kraftübertragende Verbindung einer Riemenscheibe 4 eines (nicht dargestellten) Fahrzeugmotors mit einem Kühllüfter 6 herstellt. In diesem Fall wird angenommen, dass die Riemenscheibe 4 direkt von der Kurbelwelle des Motors angetrieben wird; sie könnte jedoch auch von einem Keilriemen 8 angetrieben werden, der in einer Schleife über weitere Riemenscheiben 10, 12 und 14 läuft, von denen eine von der Kurbelwelle des Motors angetrieben wird, während die anderen Riemenscheiben z.B. zum Antrieb einer Kühlmittelpumpe und eines Generators dienen. In 1 ist die Übertragungswelle 2 in ihrer Betriebsstellung gezeigt, d.h. wenn sie zwischen einem Wellenzapfen 16 auf der Riemenscheibe 4 und einem zum Kühllüfter 6 gehörenden Wellenzapfen 18 eingebaut ist. Der Kühllüfter 6 ist in einem Lager 20 (siehe 4 und 5) gelagert, das fest an ein zum Fahrgestell des Fahrzeugs gehörenden Teil 22 angebaut ist.

Da der Keilriemenantrieb 4, 8, 10, 12, 14 an den über Vibrationsdämpfer im Fahrgestell gelagerten Fahrzeugmotor angebaut ist, muss bei Betrieb mit gewissen Winkeldifferenzen und Seitenbewegungen zwischen den Wellenzapfen 16 und 18 gerechnet werden. Aus diesem Grund ist die Übertragungswelle 2 im Sinne einer einfachen Montage und Demontage zwischen den Wellenzapfen 16, 18 als flexible Hohlwelle ausgeführt, zu der zwei in Längsrichtung der Welle zusammendrückbare, flexible Organe 24 und 26 (siehe 5-7) gehören. Die flexiblen Organe 24, 26, die in diesem Fall verhältnismäßig nahe an den Enden der Übertragungswelle angeordnet sind, sind als tellerähnliche Scheibenfederorgane ausgeführt und bestehen jeweils aus einem Tellerfederelement, das zwei geringfügig kegelige Tellerscheiben 24a, 24b bzw. 26a, 26b umfasst. An ihrem Innendurchmesser gehen diese Tellerscheiben direkt in einen kreiszylindrischen Wandbereich 28 über, und an ihrem Außendurchmesser gehen sie über einen im Wesentlichen U-förmigen Außenrandbereich 24c bzw. 26c ineinander über.

Dadurch, dass die über den größeren Teil ihrer Länge rohrförmige Übertragungswelle 2 mit den beiden flexiblen Tellerfederelementen 24, 26 versehen ist, bewirkt ein Zusammendrücken der Welle in deren Längsachse sowohl eine Verringerung der Gesamtlänge der Welle (gerechnet zwischen den äußersten Endflächen 30, 32) als auch (im jeweiligen Federelement 24, 26) die Erzeugung einer kumulierten Rückfederungskraft (rückstellende Vorspannkraft), die danach strebt, die Tellerfeder 24, 26 erneut auszudehnen und dadurch erneut die Übertragungswelle 2 auf deren nicht zusammengedrückte Ursprungslänge zu verlängern, so wie dies in 1, 5, 6 und 7 dargestellt ist.

In 2 und 3 ist die Übertragungswelle 2 mit den Tellerfederelementen 24, 26 dargestellt in einer maximal zusammengedrückten, schlanken Konfiguration von gleichmäßiger Dicke (siehe Pfeile HT in 3), so dass die Welle 2 ohne Schwierigkeit koaxial zwischen den Wellenzapfen 16, 18 eingeführt werden kann, wonach die Welle (infolge der oben genannten, inhärenten Vorspannkraft) sich wieder in Axialrichtung (Pfeile UV in 4) ausdehnen und sich dadurch auf die Wellenzapfen 16, 18 schieben kann, so dass diese kraftübertragend miteinander verbunden werden. Für die Drehmomentübertragung zwischen der Übertragungswelle 2 und den Wellenzapfen 16, 18 sind die Zapfen außen und die Welle innen zweckmäßigerweise mit Keilnuten 34 versehen. Zur Sicherung der Welle 2 in axialer Richtung auf den Wellenzapfen können auf den Endbereichen der Welle z.B. eine Art Sicherungsbügel 36 (Sicherungsfeder) mit einem durch den jeweiligen Wellenzapfen geführten Stift 38 (Sicherungszapfen), siehe 57, angeordnet werden.

Die Voraussetzung für die oben beschriebene vorgesehene Anwendung der Übertragungswelle 2 kann auch mit Hinweis auf die in 6 und 7 angegebenen Maßparameter A, B, C und D dargestellt werden. In diesen Figuren bezeichnen A und B die maximal erreichbare Zusammendrückbarkeit der Tellerfederelemente 24, 26, während C und D die axialen Längenmaße für die Einstecktiefe der Wellenzapfen 16, 18 in die zylindrischen, axial außerhalb der Tellerfederelemente 24, 26 liegenden Endbereiche der Übertragungswelle 2 bezeichnen. Die „Bemessungsbedingung" für eine schnelle und einfache Montage und Demontage der Welle 2 zwischen den Wellenzapfen 16, 18 kann durch die Ungleichung (A + B) > (C + D) ausgedrückt werden. In Worte ausgedrückt bedeutet dies, dass die Tellerfederelemente 24, 26 zusammen zumindest etwas mehr zusammendrückbar sein müssen als die Summe der Überschneidungen der Welle an den beiden Wellenzapfen 16, 18.

Eine Übertragungswelle der oben beschriebenen Ausführung bietet eine Anzahl anwendungsbezogener Vorteile:

  • – die Gestaltung gestattet eine einfache und schnelle Montage der Welle von Hand (und ohne Werkzeug), z.B. beim Erneuern des Keilriemens 8;
  • – es besteht keine Gefahr eines unbeabsichtigten Lösens der Welle 2 während des Betriebs, denn jedes etwaige axiale Zusammendrücken der Welle führt unmittelbar zur Erzeugung der oben genannten Vorspannkraft, die danach strebt, die Welle erneut zu verlängern;
  • – ein Verschleiß der Keilnuten der Wellenzapfen und an den Wellenenden (aufgrund axialer Relativbewegungen zwischen diesen Bauteilen) kann durch die Anwendung von z.B. Sicherungsbügeln mit Sicherungsstiften des oben genannten Typs wirksam verhindert werden; und
  • – die Übertragungswelle ist wartungsfrei.


Anspruch[de]
  1. Übertragungswelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hohlwelle (2) ausgeführt ist, die mindestens ein, vorzugsweise zwei in Längsrichtung der Welle zusammendrückbare, flexible Organe (24, 26) umfasst, von denen jedes als integrierter Teil der Hohlwelle ausgeführt ist, und wobei ein elastisches Zusammendrücken des bzw. jedes dieser Organe (24, 26) zu einer Verringerung der Gesamtlänge der Übertragungswelle, gemessen zwischen den äußersten Endflächen (30, 32) der beiden Endbereiche der Welle führt und zur Erzeugung einer im jeweiligen Organ inhärenten Rückfederungskraft (rückstellenden Vorspannkraft), die nach einer axialen Ausdehnung des Organs (24 bzw. 26) bis zu dessen nicht zusammengedrücktem Ausgangszustand strebt.
  2. Übertragungswelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei flexible, in axialer Richtung voneinander getrennte, scheibenähnliche Organe (24, 26) umfasst, von denen zumindest eines im Bereich eines der beiden Endbereiche der Übertragungswelle (2) angeordnet ist.
  3. Übertragungswelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei flexiblen Organe (24, 26) in je einem der beiden Endbereiche der Übertragungswelle (2) angeordnet sind.
  4. Übertragungswelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der flexiblen Organe (24, 26) als tellerähnliches Scheibenfederorgan ausgeführt ist.
  5. Übertragungswelle nach einem Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der flexiblen Organe als doppeltes Tellerfederelement (24 bzw. 26) ausgeführt ist und zwei einander gegenüberliegende, geringfügig kegelige Tellerscheiben (24a, 24b bzw. 26a, 26b) umfasst, die an ihrem Innendurchmesser direkt in den Wandbereich (28) der Hohlwelle, und an ihrem Außendurchmesser über einen im Querschnitt im Wesentlichen U-förmigen Außenrandbereich (24c, 26c) ineinander übergehen.
  6. Übertragungswelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die Hohlwelle (2) und die flexiblen Organe (24, 26) Stahl oder ein Kompositwerkstoff verwendet wird.
  7. Übertragungswelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Organe (24, 26) auf einer kurzen axialen Entfernung nach innen von den Enden der Übertragungswelle (2) angeordnet sind. wobei in den auf der Welle axial außerhalb der flexiblen Organe liegenden Endbereichen ringförmige Sicherungsbügel (36) mit durch die Hohlwellenwand geführten radialen Stiften (38) anzuordnen sind, mit welchen die Übertragungswelle auf in ihrem jeweiligen Endbereich axial einführbaren Wellenenden oder Wellenzapfenenden (16, 18) zu sichern sind.
  8. Übertragungswelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Herstellung einer kraftübertragenden Verbindung zwischen einer von einem Fahrzeugmotor angetriebenen Riemenscheibe (4) mit einem Kühllüfter angeordnet ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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