[发明专利]用于机动车的混合轴

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合轴、尤其是用于车辆的混合驱动轴，用于传递转矩。

背景技术

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。

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引起的振动。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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，所述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，第一外径大于第二外径，并且第一区段和第二区段通过过渡区段相互连接，所述过渡区段构造成，使得所述过渡区段的外周面到较小的第二区段的外周面具有连续弯曲的过渡，所述连续弯曲的过渡包括具有凹曲率半径的双曲线过渡，并且所述增强层包括缠绕空心轴的纤维束。

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。

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。

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。