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Über dieses Buch

Das Buch behandelt umfassend die Kinematik einer elastischen Gelenkkupplung , wie sie derzeit von unterschiedlichen PKW-Herstellern in Großserie eingesetzt wird.

Die wesentlichen Kupplungsparameter werden im relevanten Anwendungsbereich variiert und Ihre Wirkung auf den Bewegungsablauf in Umfangs- und axialer Richtung sowie auf das sog. Rückstellmoment, welches bei Beugung der Kupplung auftritt, wird untersucht.

Die Elemente der Gelenkkupplungen erfahren unter Beugung der Gelenkwelle, sowohl ohne als auch mit kombinierter Drehmomentbeaufschlagung komplexe räumliche Verformungen, die als Reaktionen Radial-, Axial- und Umfangskräfte sowie Ausgleichsbewegungen in der Gelenkkupplung hervorrufen.

In axialer Richtung führt der innere Kraftausgleich zu einer in 3. Ordnung zum Umlauf schwingenden Bewegung, deren Amplitude mit zunehmendem Beugewinkel überproportional steigt.

Die Ausgleichsbewegung in Umfangsrichtung erfolgt hingegen sechsmal pro Umdrehung der Antriebswelle und ihre Amplitude bleibt im Anwendungsbereich von Beugewinkeln < 3° gering.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
In PKW-Antriebssträngen und auch in Anwendungen der sonstigen Industrie werden seit vielen Jahrzehnten milliondenfach hyperelastische Gelenkkupplungen verbaut, deren häufigste Ausführung die sog. 6-Loch Gelenkscheibe ist.
Hier wird das kinematische Verhalten solcher Kupplungen unter Beugewinkel analytisch berechnet und der Einfluß wesentlicher physikalischer Größen auf das Umlaufverhalten dieser Bauteile mit- und ohne Drehmomentbelastung beschrieben.
Horst Rainer Andrä, Gabor Siegfried Andrä

Kapitel 2. Konstruktiver Aufbau der 6 – Loch – Gelenkkupplung

Zusammenfassung
Die 6-Loch-Gelenkscheibe ist ist im Fall der Anwendung im PKW-Heck- Antrieb zwischen Getriebeausgang und dem vorderen Antriebswellenrohr zwische Getriebe- und Antriebswellenflansch verbaut. Radial ist sie über einen Zentrierzapfen am Getriebeausgang und einer sog. elastischen Zentrierhülse geführt.
Das getriebeseitig anliegende Drehmoment wird in der Kupplung über elastomerummantelte Kordschlingenpakete, welche aus mehreren hundert einzelnen Fadenschlingen bestehen, auf die Gelenkwelle transportiert, die sich um zwei benachbarte stählerne Rohrbuchsen winden.
Die so konstruierten Schlingenpakete sind in den Kupplungen kranzförmig derart angeordnet, dass sich die Radien zweier benachbarter Schlingenpakete, welche dieselbe Rohrbuchse umschlingen, überlappen. Zu axialen Führung des Kordschlingenverbandes dienen mindestens je zwei metallische Buchsen mit Bund (Bundbuchsen), die auf die Rohrbuchsenenden axial aufgepresst sind.
Die Gelenkkupplung wird an beiden Flanschen durch je drei Schrauben, welche auf ihrem Lochkreis in Sechserteilung verteilt sind, befestigt.
Dabei ist konstruktiv sicher gestellt, dass die axiale und radiale Mitte der Kupplung und das axiale und radiale Zentrum der Winkelbeweglichkeit der Zentrierhülse in einem Punkt liegen.
In der axialen Mittelebene der Kupplung sind drei Kraftübertragerfedern (KüF) am Umfang 120° versetzt angeordnet, die sich bei Vorwärtsfahrt dehnen und das Zugmoment im Wesentlichen übertragen (Zugschlingen). Drei Schub-KüF (Schubschlingen) sind jeweils axial hälftig geteilt in Umfangsrichtung zwischen den Zugschlingen angeordnet, die bei Rückwärtsfahrt das sog. Schubmoment übernehmen.
Horst Rainer Andrä, Gabor Siegfried Andrä

Kapitel 3. Berechnung der Kupplungs – Kinematik ohne Drehmomentbeaufschlagung unter Beugewinkel

Zusammenfassung
Zunächst werden die zur Beschreibung der kinematischen Verhältnisse neben dem Dreh- und Beugewinkel relevanten Steifigkeits- und Längenverhältnisse mit ihren in den Anwendungen relevanten Wertebereich vorgestellt. Diese sind:
1)
Das Zugsteifigkeitsverhältnis a zwischen den Schub- und Zug-KüF,
 
2)
die Verhältnisse bi der Schub-, Torsions- und Verdrehsteifigkeit der KüF bezogen auf die Zugsteifigkeit der Zug-KüF,
 
3)
das Verhältnis d des axialen Versatzes der Schubsteckenhälften zum Lochkreisradius und
 
4)
die auf den Lochkreisradius bezogene Erstreckung e des Steifigkeitsüberganges um den Nulldurchgang der quasi-statischen Kupplungs Zug- Druck-Kennlinie. (vgl. Kap. 3.1)
 
Im Umlauf der Gelenkkupplung unter Beugewinkel treten an den Befestigungspunkten Radial-, Axial- und Umfangskräfte auch bereits ohne Drehmomentbeaufschlagung auf.
Die bei zunächst gelenkiger Befestigung der KüF vorliegenden Bewegungsanteile bei Beugung der Gelenkkupplung werden zunächst im Umlauf untersucht und die Koordinaten der KüF zu jeder Zeit bestimmt (vgl. Kap. 3.2).
Die relativen, dreh- und beugewinkelbezogenen Dehnungen der KüF mit - und ohne Axialversatz der KüF-Anbindung sind bei gelenkiger Befestigung in Kap. 3.3 berechnet.
Die Zugfedern werden wegen ihrer in axialer Erstreckung der Kupplung zentralen Lage und ihrer höheren Steifigkeit deutlich weniger gedehnt, als die Schubfedern. Ihre Dehnung schwankt allerdings in der doppelten Frequenz im Vergleich zu denjenigen der Schubfedern, welche nur einen Zug- Druck- Zyklus pro Umdrehung durchlaufen
(vgl. Kap. 3.3).
Mit Hilfe eines 3D-Kinematikmodelles (d;e > 0) werden der gesuchte Ausgleichswinkel, die Axialauslenkung, die resultierende Radialkraft, sowie die Rückstellmomentkomponenten zunächst bei gelenkiger Lagerung der KüF unter dem Einfluss der o.a. dimensionslosen Parameter berechnet.
Die Axial- und Umfangskräfte finden Ihren Ausgleich in einer Verformung aller KüF durch eine periodische, axiale Auslenkung sowie eine Verdrehung des Abtriebes um den sog. Ausgleichswinkel, was bereits aus dem ebenen Kinematikmodelles (vgl. Lit. 1), hier gilt d;e = 0, bekannt ist.
Bei gelenkiger Lagerung der KüF an den Befestigungspunkten sind lediglich Zug- und Druckkräfte dort übertragbar.
(vgl. Kap. 3.4)
In den Anwendungen ist die KüF-Befestigung allerdings elastisch, wodurch auch Torsions- und Biegemomente sowie Schubkräfte an den Befestigungspunkten übertragen werden können.
Der Einfluß der elastischen KüF-Befestigung auf die Umfangs- und Radialkräfte sowie auf die Rückstellkräfte an den Befestigungspunkten im Vergleich zur gelenkigen Befestigung nach innerem Kräfteausgleich der Kupplung wird weiter untersucht.
(vgl. Kap. 3.5)
Schließlich erfolgt ein Verleich der beiden Befestigungsarten im Umlauf mit den Ergebnissen für die gesuchten Größen Axialauslenkung, Ausgleichswinkel, Radialkraft und Rückstellmoment am Beispiel von 3° Beugewinkel.
Die Ausprägung der in dritter Ordnung zum Umlauf schwankende Axialauslenkung und auch die Amplidude des in sechster Ordnung schwankende Ausgleichswinkels werden bei elastischer KüF-Lagerung deutlich im Vergleich zu gelenkigen Lagerung reduziert. Dies gilt auch für die ebenfalls in 6. Ordnung zum Umlauf um den statischen Anteil schwankende Radialkraft.
Die Rückstellmomentschwankungen sind in ingesamt veschwindent, wobei der statischeWert bei elastischer KüF-Lagerung im genannten Beugewinkelbeispiel im Vergleich zur gelenkigen Lagerung um ca. Faktor fünf höher liegt.
(vgl. Kap. 3.6)
Horst Rainer Andrä, Gabor Siegfried Andrä

Kapitel 4. Messung und Rechnung im Vergleich am Beispiel der Rückstellmoment-Komponente Mψ

Zusammenfassung
Zur stichprobenweise Überprüfung der Berechnungsergebnisse aus Abschn. 3.6 wurde das Rückstellmoment für das dort bei festen Beugewinkeln alle 10° Drehwinkel über 180° gemessen.
Das Rückstellmoment steigt praktisch linear mit dem Beugewinkel und die Rechenergebnisse werden durch die Messungen zufriedenstellend bestätigt.
Horst Rainer Andrä, Gabor Siegfried Andrä

Kapitel 5. Die Wirkung der Parameter auf den Verlauf von Axialauslenkung, Ausgleichswinkel und Rückstellmomentkomponente mψ

Zusammenfassung
Neben Dreh- und Beugewinkel bestimmen die in Kap. 3.1 genannten Längen- und Steifigkeitsparameter Höhe und zeitlichen Verlauf der Ergebnisse für Axialauslenkung, Ausgleichswinkel, Radialkraft und Rückstellmoment.
Die Parameter werden im Folgenden in der Umgebung einer gewählten Großserienanwendung variiert, um die Wirkung ihrer Änderungen auf die genannten Ergebnisse zu verdeutlichen.
Die Amplituden der in 3. Ordnung zum Unlauf schwankenden Axialauslenkung und diejenigen des in 6. Ordnung schwankenden Ausgleichswinkels steigen überproportional mit der Beugung der Kupplung.
(vgl. Kap. 5.1)
Das Zugsteifigkeitsverhältniserhältnis a beeinflußt die Axialauslenkung im gewählten Wertebereich in der Nähe der Großserienanwendung nur gering und der Ausgleichswinkel sowie das Rückstellmoment steigen erst bei größeren Beugewinkelwerten nennenswert mit a.
(vgl. Kap. 5.2)
Bei der Variation der Parameter bi ist generell fest zu stellen, dass bei weicherer Ausbildung der KüF, d.h. vergleichsweise geringeren Werten von bi die Schwankungsamplituden der Axialauslenkung sowie die statische Höhe des Ausgleichswinkels und die Rückstellwinkelwerte zurück gehen.
(vgl. Kap. 5.3)
Ein größerer Axialversatz d der Schub-KÜF aus der axialen Mitte der Gelenkkupplung bewirkt generell einen linearen Anstieg der Werte der Axialauslenkung, des Ausgleichswinkels und des Rückstellmomentes. Wünschenswert ist also eine vergleichsweise schlanke Kupplungsausprägung.
(vgl. Kap. 5.4)
Eine größere Erstreckung des Kennlinienüberganges e als in der als Bezug gewählten Großserienanwendung bewirkt unabhängig vom Beugewinkel geringere Axialauslenkungen und Ausgleichswinkel sowie lediglich unbedeutend steigende Rückstellmomentwerte.
(vgl. Kap. 5.5)
Horst Rainer Andrä, Gabor Siegfried Andrä

Kapitel 6. Ausgleichswinkel und Axialauslenkung bei Drehmomentbeaufschlagung

Zusammenfassung
Bei Vorgabe eines Verdrehwinkels zwischen der Antriebs- und Abtriebsachse stellt sich ein Reaktionsmoment an der Kupplung ein. Bei dieser Verformung werden bei Vorärtsantrieb die Zug- KüF gedehnt und die Schub-Küf gestaucht.
Weiterhin werden die KüF wegen ihrer elastischen Anbindung um Ihre Befestigungspunkte verdreht.
(vgl. Kap. 6.1)
Läuft die unter Drehmomentbelastung stehende Kupplung mit Beugewinkel um, so muss auch die unter Kap. 3.5 beschriebene Verdrehung der KüF um ihre Befestigungspunkte berücksichtigt werden, welche sich unter Anderem im Ausgleichswinkel wieder findet.
Die quasi statische Kennlinie der Gelenkkupplung verläuft daher in Abhängigkeit vom Beugewinkel um den statischen Wert des Ausgleichswinkels nach links verschoben und schwankt dort im Umlauf mit der Amplitude des vom Ausgleichswinkel verbliebenen dynamischen Anteiles hin und her.
(vgl. Kap. 6.2)
Horst Rainer Andrä, Gabor Siegfried Andrä

Kapitel 7. Zusammenfassung

Zusammenfassung
Die elastischen 6 – Loch – Gelenkkupplungen mit gummierten Kordeinlagen werden überwiegend im Antriebsstrang von PKW´s mit Heckantrieb zur wartungsfreien Drehmomentübertragung sowie zur Schwingungs- und Geräuschreduzierung millionenfach pro Jahr verbaut.
Horst Rainer Andrä, Gabor Siegfried Andrä

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