Die vorliegende Arbeit behandelt hyperelastische Gelenkkupplungen, wie sie jährlichweltweit in nahezu allen in heck- und allrad-angetriebenen PKW und leichten Nutzfahrzeugen im Antriebstrang verbaut werden. Diese Kupplungen sorgen für eine metallische Entkopplung der antreibenden Längs-Gelenkwelle von den anschließenden Getrieben und ermöglichen den Betrieb der Gelenkwelle unter Beugewinkeln durch elastische Deformation der Kupplung. Zusätzlich stellen sie einen wichtigen, fahrakustischen Abstimmparameter dar. Die Drehmomentübertragung erfolgt dabei über in Elastomer eingebettete Fadenschlingenpakete, was zu großen elastischen Deformationen der Kupplung im Vergleich zu den angrenzenden metallischen Bauteilen führt. Die Nichtlinearität der Materialien, die starke Anisotropie, die Inhomogenität ihres inneren Aufbaus und die komplexe innere Mechanik der über 300 Einzelfäden pro Schlingenpaket machen diese wartungsfreien Bauteile einer numerischen Analyse nur schwer zugänglich. Bisherige Auslegungsverfahren beruhten auf Erfahrungswerten und einem daraus resultierenden enormen Entwicklungsaufwand sowie suboptimaler Ressourcennutzung. Diese Arbeit soll helfen, diese Lücke zu schließen.

Zudem wird in dieser Arbeit ein neues, inzwischen patentiertes Kupplungskonzept vorgestellt, das gegenüber den herkömmlichen Lösungen eine Reihe von Vorteilen aufweist. Dieses Konzept ist insbesondere dazu in der Lage, die vom Kreuzgelenk der Gelenkwelle induzierte Drehungleichförmigkeit energetisch neutralzu eliminieren, da sie als einzige Lösung eine kreuzgelenk-kompatible Kinematik aufweist. Diese Drehungleichförmigkeiten sorgen für Reaktionen in den angrenzenden Lagern und Getrieben, die sich in Geräuschen und Verschleiß äußern können. Eine Reduzierung dieser Erregungen stellt also ein nicht unerhebliches Downsizing-Potential dar. Dabei kann diese Kupplung gegenüber der konventionellen Lösung bei verbesserter Lebensdauer mit einem erheblichen Kostenvorteil realisiert werden.

Nachdem einleitend eine verallgemeinerte Theorie zur rotatorischen Kinematik von Gelenkwellen hergeleitet wurde, werden zunächst die in Serie befindlichen, konventionellen Gelenkkupplungstypen sowie die Vorgänge in Ihrem Inneren zunächst mit vereinfachten analytischen Modellen berechnet. Mit zwei Typen numerischer Modelle werden diese Berechnungen in einem zweiten Schritt verfeinert, wobei für die Modelle höchster Detaillierungsstufe zunächst geeignete Material- und Substrukturmodelle vorgestellt werden. Mit gleicher Vorgehensweise wird in einem nächsten Schritt die Neuentwicklung analysiert, werden die Ergebnisse diskutiert und mit den konventionellen Lösungen verglichen.Daraufhin werden die betrachteten Kupplungstypen mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Prüfstand hinsichtlich Ihrer Wirkung in einer Gelenkwelle vermessen, was die Berechnungsergebnisse bestätigt. Mit einem Antriebstrang-FE-Modell werden schließlich Vorhersagen zur Wirkung von konventioneller Lösung und Neuentwicklung über den gesamten Wellendrehzahlbereich bis 6000 1/min unter realistischen Randbedingungen getroffen. Eine vergleichende Messung in einem Testfahrzeug bestätigt die erwartete, beruhigende Wirkung. In einem letzten Schritt wird mittels zweier im Rahmen dieser Arbeit entwickelter Lebensdauerprüfstände die verbesserte Lebensdauer-Performance der Neuentwicklung nachgewiesen.

Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau