用于机动车的混合轴的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种混合轴、尤其是用于车辆的混合轴，为了传递转矩，该混合轴具有由金属制成的空心轴，所述空心轴在至少一个增强区段中包括至少一个施加到空心轴的外表面上的由纤维增强塑料制成的增强层，并且所述空心轴在所述至少一个增强区段内包括在空心轴的纵向方向上变化的外径。
【专利说明】用于机动车的混合轴
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的混合轴、尤其是用于车辆的混合驱动轴，用于传递转矩。
【背景技术】
[0002]在机动车中，驱动轴例如用于传递驱动单元的驱动力矩到后轴传动装置。驱动轴为此必须一方面具有足够的强度和耐久性以及确保驱动轴的各端部之间的几何平衡，该驱动轴在一侧与驱动单元或变速器复合装置相连并且在另一侧与后轴传动装置相连，它们分别是有弹性的并且从而可彼此相对运动地支承。
[0003]附加地如此设计驱动轴，使得该驱动轴经受每分钟达8000转的高运行转速时(针对轿车)在其固有频率的临界范围内不会引起振动。对此驱动轴必须具有足够的刚度，使得其固有频率大于由于运行转速而可能弓I起的振动。
[0004]因此通常使用由钢制成的驱动轴，为了达到足够的刚度和达到所需的固有频率的最佳设计，该驱动轴设计为两件式的。这意味着，在两个轴部分之间设置连接铰链及用于将两个轴部分固定和支承在车身上的中间轴承，由此产生在重量上的缺点和对车身的附加的刚度要求。与之相反，由于所需的整个轴长度约为1.5m至2m，通常一体式的解决方案是不可能的。
[0005]因此由现有技术已知所谓的混合轴。该混合轴包括圆柱形的钢轴或铝轴，在该钢轴或铝轴的长度上覆盖纤维增强塑料。该实施方案允许一体式的构造形式，从而不利的中间轴承可以被省略。混合管在此集纤维增强塑料的高弯曲刚度、小重量和钢的有利制造性、良好扭转强度于一体，从而避免轴的挠曲并且尽管如此仍可以传递高扭矩。
[0006]例如US6336986B1示出一种混合轴，该混合轴具有圆柱形的金属管和在金属管上施加的由纤维复合材料制成的层，此外，该纤维复合材料是被覆层的。
[0007]DE102007036436A1也描述一种混合轴，该混合轴具有由金属制成的空心轴和由碳纤维制成的层，这些碳纤维单向地平行于空心轴纵向方向地设置。
[0008]在这两种情况下，金属管沿着其纵向长度具有相同的横截面或者说直径。
[0009]对于这两种驱动轴不利的是两方面的所需的折衷:一方面，由于通常情况下非常有限的结构空间而需要尽可能小的直径，该结构空间特别在车辆底部的区域内由于许多其他车辆组件可能是局部非常有限的；另一方面，驱动轴对于增加轴的固有频率所需的尽可能大的直径，该固有频率尽可能地超过通常出现的激励频率。
【发明内容】
[0010]因此本发明的任务在于，提出一种混合轴，该混合轴在小自重的情况下具有高刚度，同时设计为节省结构空间的，并且尽管如此在其固有频率方面优化设计。
[0011]该任务借助按照权利要求1的混合轴解决。有利的实施形式由从属权利要求得出。
[0012]因此提出一种混合轴、尤其是用于车辆的混合驱动轴，为了传递转矩，该混合轴具有由金属制成的空心轴，该空心轴在至少一个增强区段中具有至少一个施加在空心轴的外表面的由纤维增强塑料制成的增强层。此外，在所述至少一个增强区段之内，该空心轴包括在空心轴的纵向方向上变化的外径。
[0013]混合轴的混合结构一方面允许在实现高刚度的同时显著地降低重量。这提供了这样的可能性:混合轴相对于纯钢轴设计得明显更长，在轿车中因而通常是一体式的。取代具有足够弯曲刚度和扭转刚度的厚壁的金属管，在混合轴中可以使用相对薄壁的金属管，该薄壁的金属管对于传递由于需要传递转矩而产生的扭力是足够地设计的。然而，足够的弯曲刚度对于空心轴本身来说不是必要的，而是通过纤维增强塑料制成的增强层提供。因此，重的金属部分(空心轴)可以设计得比在纯金属的驱动轴时更小并且因此明显更轻。作为金属，例如使用钢、铝或其他合适的金属材料。合适的增强纤维例如包括碳纤维、玻璃纤维、石墨纤维和/或尼龙纤维。此外由于混合结构，可以使得相对昂贵的纤维复合材料的材料费用较低并且从而使得制造成本比纯纤维复合轴低。所述增强区段可以完全或仅在一个或多个分区段中施加到混合轴的外表面上。
[0014]在混合轴或空心轴的纵向方向上变化的横截面可以理解为变化的直径。该方案例如可以包括在纵向方向上形成阶梯的横截面变化或在纵向方向上无级的连续的横截面变化。尤其是在纵向方向上彼此相继的多个横截面变化是可能的。
[0015]下面借助混合轴的多个圆形横截面和不同大小的各个外径进行描述。当然，对于空心轴，其他适合的横截面形状也是可能的。所选的术语“直径”在这种情况下在类似应用中可以相应地理解。
[0016]此外，外径沿着空心轴的纵向延伸长度的变化实现适应由结构空间决定的实际情况、尤其是局部的狭窄部位。尤其是在机动车中，这样设计的驱动轴通常在汽车底盘的区域延伸，在该汽车底盘内附加地设置许多其它车辆部件，由此如已经说明的，限制可用的结构空间。因此，所述的混合轴可以设计为:其横截面在特别窄的位置上减小。为此，当然要这样选择所述减小的小横截面，使得传递预期的最大转矩仍是可能的。
[0017]另一方面，提出的构造形式以有利方式允许在具有更宽敞的空间的位置上提供局部更大的横截面。这实现了为整个混合轴提供改进的弯曲刚度以及有针对性地适配整个混合轴的固有频率。因此，可以提供比已知的混合轴明显更刚性的轴是可能的，该已知的混合轴仅包括具有恒定外径的连续的空心轴。
[0018]按照一种实施形式，空心轴在所述至少一个增强区段内包括具有第一外径的第一区段和具有第二外径的第二区段，其中，第一外径与第二外径是不相等的，并且第一区段和第二区段通过过渡区段相连。
[0019]因此，第一外径可以大于或小于第二外径。下面第一外径应大于第二外径。然而，在此仅为示例性所选的定义，相反的情况也是可能的。对第一区段或者第一外径的相应的称呼以及第二区段或者第二外径的相应的称呼在这种情况下可以相应地交换。
[0020]空心轴在最简单的情况下例如可以包括两个圆柱形区段，这两个圆柱形区段通过过渡区段相连。当然，也可以设置多个第一区段和第二区段，这些区段分别通过各自的过渡区段相连并且相对于相邻的区段分别具有不同直径。
[0021]可以这样构造过渡区段，使得过渡区段的外周面具有到较小的第二区段的外周面的连续弯曲的过渡。
[0022]该过渡由结构决定地具有在空心轴的纵向方向上延伸的具有钝外角、S卩外角大于90°且小于180°的轮廓曲线。将共同的增强层施加到两个周面，隐藏着夹入空气的危险、或者甚至增强层从整个空心轴表面脱离的危险，特别在过渡区域内由于所述的钝角。此外，由纤维增强塑料制成的增强层的一定的固有刚度起决定性的作用，由此，增强层不能以任意方式成型贴紧和可靠地施加到空心轴的多维弯曲的周面形状上。产生脱离的结果是削弱增强效果并且从而局部削弱整个混合轴。
[0023]因此，由于所提出的连续弯曲的造型，特别是在过渡区段的周面和空心轴的第二区段的周面之间的所述连续弯曲的过渡允许以有利的方式可靠地施加由纤维增强塑料制成的增强层。特别是通过这种方式也允许在弯曲范围内将增强层贴靠在空心轴的外表面上并且连续地和可靠地增强空心轴。
[0024]根据另一实施形式，所述连续弯曲的过渡包括具有凹曲率半径的双曲线过渡。
[0025]作为双曲线过渡尤其是可以理解为双曲面形状，该双曲面形状也被称为鞍形并且具有负曲率。换言之，至少在空心轴的过渡区段和第二区段之间的过渡构造为旋转双曲面。下面在各图中描述示例性的示图。
[0026]具有较大直径的第一区段和过渡区域之间的过渡由于相关轮廓外形的外角大于180°而被认为是不那么关键的，并且因此可以设计为不连续的或也具有连续的曲率(具有反向的曲率)。
[0027]所述增强层例如包括缠绕空心轴的纤维束。该纤维束、所谓的粗纱，在此通过缠绕而施加到空心轴上。借助纤维束构造增强层的方法是已知的，所以没有进一步地描述。
[0028]根据一个实施形式，所述纤维束相对于空心轴的纵向方向以10°至20°、优选10°至15°的缠绕角定向。因为增强层不必传递转矩，纤维束的缠绕角可以保持小的或平缓的。这样的平缓缠绕角一方面有利地影响混合轴的尽可能高的弯曲刚度，并且附加地引起纤维束与更大或更陡的缠绕角相比以更大的弯曲半径绕着轴弯曲。这尤其是在过渡区域的范围内、然而特别是在过渡区域和空心轴的较小的第二区段之间的过渡是有意义的，从而由此减少或者甚至防止纤维或增强层从空心轴脱离。
[0029]因此纤维束的如此平缓的缠绕角和双曲线过渡的组合特别有利。作为几何形状的旋转双曲面在绕着纵轴线扭转时可以由相互平行构造的杆构成，这可以以类似方式应用到纤维束上。这些纤维束也相互平行定向地设置并且以相对于空心轴纵轴线平缓的缠绕角转动，使得纤维束也构成双曲面形物体(相应于增强层)。说得非常清楚，该双曲面形物体施加到空心轴的同样双曲线的过渡上。这提供如下优点，纤维束由于其布置和相互转动(缠绕角)已经基本上遵循周面的类似的双曲线轮廓并且通过这种方式仅以微小或最小程度在其自身的纵向延伸长度上弯曲。
[0030]总之，导致面状地并且同时可靠地贴靠在空心轴上，即使在过渡区域内或到空心轴的较小的第二区段的过渡中也是如此。因而可以避免增强层的脱离，并且尽管在纵向方向上变化的直径，混合轴仍可靠地通过增强层尤其是在这些区域内增强。
[0031]根据一个示例性实施形式，混合轴可以包括具有第一区段和第二区段的空心轴，其中，第一区段具有约为75mm的外径并且第二区段具有约为70mm的直径。
[0032]过渡区域例如也具有5cm至1cm的长度。
[0033]根据一个实施形式，所述凹曲率半径具有0.Sm至1.2m之间的值。
[0034]此外，混合轴包括用于在空心轴的纵向方向上吸收变形能的至少一个碰撞元件。所述碰撞元件例如构造为所谓的套叠元件，使得如果定义的力在空心轴的纵向方向上起作用，例如在碰撞、尤其是正面碰撞的情况下，空心轴的具有较小直径的第一部分可以套叠到具有较大直径的另一部分中。相对于纯纤维复合轴，可以借助提出的混合轴基于由金属制成的空心轴设置碰撞能力。
[0035]此外，所述混合轴在其两个端部中的至少一个上还可以包括附件、如铰链、凸缘、滑动件或者类似物，用于传递转矩地连接混合轴或平衡板。这些附件优选与金属空心轴材料锁合地相连，尤其是焊接或胶接。为此如此构造空心轴，使得空心轴的一个或两个端部不被增强层覆盖，即不被缠绕的，而是穿过增强层伸出去，从而以简单方式与相应附件相连是可能的。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]下面参照附图根据实施例来说明本发明。其中:
[0037]图1是按照本发明的混合轴的剖视图，
[0038]图2是图1的第一局部图A，
[0039]图3是图1的第二局部图B。
【具体实施方式】
[0040]图1以外部视图示出混合轴10的上半部分并且以纵向剖视图示出混合轴的下半部分。混合轴10例如可以是用于车辆(未示出)的混合轴。为此，所述混合轴包括用于传递转矩的由金属制成的空心轴11，所述空心轴11包括多个圆柱形管状区段，其中有第一区段13、第二区段15及第三区段16。这些区段分别通过过渡区段14a、14b与各自相邻的区段相连并且分别具有不同的直径C^dyd3，使得空心轴11具有在空心轴的纵向方向上变化的外径。区段13和15以及连接这两个区段13、15的过渡区段14a通过由纤维增强塑料制成的长度为Iv的共同的增强区段12缠绕。在此，区段13具有较大的直径Cl1，而区段15具有较小直径d2。
[0041]这些区段可以如此设置，使得它们适应于车辆的可用的结构空间并且最佳地利用该结构空间，以便尽管空间状况窄小，仍能够提供尽可能高的刚度。
[0042]附加地并且仅作为选选地，混合轴10可以在其对置的两个端部上分别包括一个附件例如长度补偿装置17和/或凸缘18。可选地也可以将平衡板19固定在混合轴10上。
[0043]还如在图1中表明的，混合轴10可以包括分别具有各自直径的多个区段。示例性地但决不是限制性地可以理解，增强区段仅设置在两个区段13和15中以及过渡区段14a中。另外可能的是，设置共同的增强区段，该增强区段也环绕其他各区段中的一个或多个。
[0044]如图2的局部图A(见图1)中根据空心轴11在混合轴的纵向方向上的轮廓外形所描述的，过渡区段具有长度Iu并且如此构造，使得过渡区段14a的外周面具有到较小的第二区段15的外周面的连续弯曲的过渡14c。所述连续弯曲的过渡14c构造为具有凹曲率半径rl的双曲线过渡。
[0045]这种方式与增强层12的纤维束的平缓的缠绕角相结合允许尽可能优化地和面状地贴靠在空心轴(区段13、15、14a)上的增强层12。通过这种方式，根据图3中的局部图B(参看图1)可以针对尤其是在过渡区段14a到较小的第二区段15的过渡区域内增强层12的空气夹入和剥离。
[0046]根据一个示例性的实施形式，直径Cl1约为75mm，直径d2约为70mm，过渡区段的长度Iu处于50mm和10mm之间，曲率半径rl处于800mm和1200mm之间、尤其是约为1000mm。
【权利要求】
1.混合轴(10)，尤其是用于车辆的混合轴，为了传递转矩，该混合轴包括由金属制成的空心轴(11)，所述空心轴(11)在至少一个增强区段中包括至少一个施加到空心轴(11)的外表面上的由纤维增强塑料制成的增强层(12)，其特征在于，所述空心轴(11)在所述至少一个增强区段内具有在空心轴(11)的纵向方向上变化的外径(dpcg。
2.根据权利要求1所述的混合轴，其特征在于，所述空心轴(11)在所述至少一个增强区段内包括具有第一外径(Cl1)的第一区段(13)和具有第二外径(d2)的第二区段(15)，其中，第一外径(Cl1)大于第二外径(d2)，并且第一区段(13)和第二区段(15)通过过渡区段(14a)相互连接。
3.根据权利要求2所述的混合轴，其特征在于，所述过渡区段(14a)构造成，使得所述过渡区段(14a)的外周面到较小的第二区段(15)的外周面具有连续弯曲的过渡(14c)。
4.根据权利要求3所述的混合轴，其特征在于，所述连续弯曲的过渡(14c)包括具有凹曲率半径(rl)的双曲线过渡。
5.根据权利要求1至4之一所述混合轴，其特征在于，所述增强层(12)包括缠绕空心轴(11)的纤维束。
6.根据权利要求5的所述混合轴，其特征在于，所述纤维束具有相对于空心轴(11)的纵向方向成10°至20°、优选10°至15°的缠绕角。
7.根据权利要求1所述的混合轴，其特征在于，所述过渡区域(14a)具有5cm至1cm的长度(U。
8.根据权利要求4所述的混合轴，其特征在于，所述凹曲率半径(rl)的值处于0.Sm和1.2m之间。
9.根据权利要求1所述的混合轴，其特征在于，所述混合轴(10)包括用于在所述空心轴(10)的纵向方向上吸收变形能的至少一个碰撞元件(20)。
【文档编号】F16C3/02GK104334896SQ201380027770
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2012年6月28日
【发明者】J·霍夫施泰特尔, J·明茨拉夫, F·施耐德, W·施特赖因茨 申请人:宝马股份公司