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Kreuzgelenk, besonders für schwere Gelenkwellen von
Kraftfahrzeugen
Für die Kraftübertragung in schweren Fahrzeugen, die von Brennkraftmaschinen angetrieben werden, verwendet man im allgemeinen Gelenkwellen mit Kreuzgelenken. Die Kreuzgelenke, von denen die Er- findung ausgeht, bestehen aus zwei Gelenkgabeln mit Lageraugen, gegebenenfalls mit Lagerbuchsen, in denen ein Zapfenkreuz mit zylindrischen Lagerzapfen gelagert ist. Es gibt eine Bauart mit deckellosen, das Lager umschliessenden Augen aus einem Stück und eine andere Bauart mit Lageraugen, die mit Dek- kein geschlossen sind.
Besonders im schweren Schienenfahrzeugbetrieb haben sich infolge der ständig steigenden Leistungen und Drehzahlen an solchen Kreuzgelenken mehr und mehr Schäden gezeigt. Diese Schäden traten vorwie- gend an den Enden der Lager auf, z. B. durch Bruch der meist beanspruchten Nadeln, wenn Nadellager verwendet werden ; auch übernormale Abnutzung, die sogar zu Ausbrüchen in den Lagerflächen führte, wurde festgestellt.
Es wurde daher planmässig untersucht, wie eigentlich die Last in derartigen Lagern mit Nadeln bei einem statischen Höchstdrehmoment verteilt ist. Hiezu wurden die zylindrischen Lagerzapfen eines Zap- fenkreuzes verkupfert und das Kreuzgelenk wurde dem Höchstdrehmoment unterworfen. Auf der Kupferschicht ergaben sich dann Eindrücke der Nadeln von einer gewissen Breite. Durch Eichen derartiger Ein- drücke kann man an jeder Stelle die Last unmittelbar aus der jeweiligen Breite der Eindruckstelle ablesen. Hieraus kann man die Lastverteilung über die Nadellänge erkennen.
In der Zeichnung veranschaulichen die Fig. 1-4 ein Kreuzgelenk der bisherigen Bauart, wobei Fig. l das Zapfenkreuz und die Lastverteilung in der Lagerlängsrichtung, Fig. 2 die Lastverteilung über dem Um- . fang des Lagers, Fig. 3 einen Schnitt durch die Zapfenlagerung und Fig. 4 ein zusammengebautes Gelenk in der Ansicht zeigen.
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5-9Fig. 8 die Ansicht des zusammengebauten Gelenkes und Fig. 9 einen Schnitt durch die Zapfenlagerung in einer zur Zapfenkreuzebene um etwa 450 geneigten Schnittebene.
In Fig. l der Zeichnung ist ein Zapfenkreuz 11 üblicher Bauart dargestellt. Über den zylindrischen Lagerzapfen 12 und 13 des Zapfenkreuzes sind Kurven 14 und 15 aufgetragen, die sich aus einzelnen Messwerten ergeben und die Verteilung der Last im Lastbereich längs der höchstbelasteten Nadel in dem Nadellager zeigen. In beiden Kurven 14 und 15 beträgt die Last an dem äusseren Ende gegenüber der mittleren Last fast das Doppelte ; auch an dem inneren Ende steigt die Last an.
In Fig. 2 der Zeichnung ist ein Schnitt durch den zylindrischen Lagerzapfen 12 dargestellt. Die Strahlen am Umfang des zylindrischen Lagerzapfens 12 geben die Gesamtlast auf jeder einzelnen Nadel an. Auch hier zeigt sich, dass die Gesamtlast 16 der Nadel im Lastbereich weit höher ist als die Gesamtlast 17 bzw. 18 auf den beiden benachbarten Nadeln in diesem Bereich. Hienach weist auch die Lastverteilung über den Umfang des zylindrischen Lagerzapfens ebenfalls eine unerwünschte Spitze auf.
Gemäss der Erfindung werden diese Spitzen in der Lastverteilung dadurch beseitigt, dass die Radialquerschnitte der nach aussen vorragenden Lageraugen nach dem Zapfenende zu so schmäler werden, dass
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ferner diese Querschnitte an der Stelle des höchsten Lagerdruckes so kleinwie zulässig sind und dass sie von dieser Stelle mindestens in einem Bereich von etwa 450 nach beiden Seiten, nach dem Gabelende und nach der Gabelwurzel zu, stetig so grösser werden, dass durch diese federnd nachgiebige Lagerung der
Zapfen in den Lageraugen die Last, die infolge des zu übertragenden Drehmomentes auf jedes der vier I Lager entfällt, sowohl über die Länge als auch über den Umfang jedes Lagers möglichst gleichmässig ver- teilt ist.
Nach einer aus Raumgründen bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung hat jedes nach aussen vorra- gende Lagerauge im wesentlichen die Gestalt etwa eines quadratischen Pyramidenstumpfes. In weiterer
Ausbildung der Erfindung sitzt die Lagerbuchse nur mit einem Teil ihrer Aussenfläche im Lagerauge fest.
Vorteilhaft lässt man die Lagerbuchse nur mit dem nach der Gelenkmitte zu gelegenen Teil ihrer Aussen- fläche im Lagerauge festsitzen.
Die gleichmässige Lastverteilung in den vier Zapfenlagern kann ferner noch dadurch verbessert wer- den, dass auch das Zapfenkreuz entsprechend gestaltet ist. Hiefür ist es zweckmässig, dass die vier Arme des Zapfenkreuzes in an sich bekannter Weise sich aus einer gemeinsamen, zwischen den Zapfen vertieft gekrümmten Wurzel erstrecken und im wesentlichen je aus einem nach aussen kegelig abnehmenden Teil sowie dem zylindrischen Lagerzapfen bestehen. Der zylindrische Lagerzapfen kann, ausser der üblichen
Schmiermittelbohrung, wie an sich bekannt, eine als Schmiermittel-Vorratsraum dienende Ausnehmung haben, die sich nach einer Ausbildungsform der Erfindung nach aussen so erweitert, dass auch der zylindri- sche Lagerteil des Zapfens zur gleichmässigen Lastverteilung im Lager beiträgt.
In den Fig. 3 und 4 bedeutet 19 die eine Gelenkgabel mit einem Lagerauge 2u rechteckigen Quer- schnittes, mit 21 ist die andere gleichartige Gelenkgabel mit dem Auge 22 bezeichnet. Das Zapfen- kreuz 11 mit den vier zylindrischen Lagerzapfen 12 und 13 (die zwei übrigen sind nicht dargestellt) ist in den beiden Gelenkgabel 19 und 21 gelagert. Für die Lagerung sind Nadeln 23 in Käfigen 24 und Büch- sen 25 verwendet. Diese Lagerbüchsen 25 sind in die Augen 20 eingepresst und mit Sprengringen 26 ge- sichert. Die Nadellager 23,24 sind nach innen zu'in üblicher Weise, z. B. durch Profilring, abgedichtet und werden durch Bohrungen 27 und 28 mit Schmiermittel versorgt.
Das Kreuzgelenk gemäss der Erfindung nach den Fig. 7-9 besteht aus den gleichartigen Gelenkgabel
29 und 30 mit Lageraugen 31 und 32. In den Lageraugen 31 und 32 ist ein Zapfenkreuz 33 gelagert. Die
Lager dieses Zapfenkreuzes 33 bestehen je aus Nadeln 34 in einem Käfig. 35 und einer Buchse 36. Die
Buchse 36, die mit dem nach der Gelenkmitte zu gelegenen Teil ihrer Aussenfläche im Lagerauge 31 fest- sitzt, wird durch einen einschraubbaren Deckel 37 in axialer Richtung gehalten, der durch Verstemmen an seinem Gewinde 38 an einigen durch kleine Kreise bezeichneten Stellen (Fig. 8) seines Umfanges ge- gen Herausdrehen gesichert ist.
Der Deckel 37 drückt mit einem Rand bs auf einen Bund 4u der Buchse 36 und hat zwischen seiner inneren Grundfläche 41 und der Stirnfläche des zylindrischen Lagerzapfens 42 des
Zapfenkreuzes 33 ein Spiel von einigen hundertstel Millimetern.
Wie aus Fig. 7, die einen Schnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 8 zeigt, ersichtlich, nimmt der Quer- schnitt des Lagerauges 31 nach aussen zu in bestimmter Weise ab. Dies und das nur teilweise Festsitzen der
Lagerbuchse 36 im Auge 31 bewirken, dass die Last in diesem Bereich über die Länge des Lagers gleich- förmig verteilt ist, wie aus der Lastverteilung lach Kurve 43 der am meisten belasteten Nadel in Fig. 5 über dem Lagerzapfen 42 hervorgeht. Die Belastung entsteht dadurch, dass die Gabel 30 das Zapfenkreuz 33 an dem zylindrischen Lagerzapfen 44 in. Pfeilrichtung mit dem Höchstdrehmoment mitnehmen will. Über das Zapfenkreuz 33 wird die Belastung auf den zylindrischen Lagerzapfen 42 übertragen. Die Lastvertei- lung der hauptbelasteten Nadel am zylindrischen Lagerzapfen 44 zeigt die Kurve 45.
Die Kurven 43 und 45 weisen keine Spitzen mehr auf, sondern die Last ist nahezu gleichförmig über die gesamte Länge je Lager verteilt.
Damit nun auch die Verteilung über den Umfang des Lagers möglichst gleichförmig wird, nimmt erfindungsgemäss der Querschnitt des Auges 31 bzw. 32 der Gelenkgabel 29 bzw. 30 aus dem Lastbereich heraus nach beiden Seiten, besonders gegen das Ende der Gelenkgabel, in bestimmter Weise zu. Dies ist durch den grössten Querschnitt 46 in Fig. 9 veranschaulicht, die den Schnitt nach der Linie 9-9 durch das Lagerauge 32 in Fig. 8 wiedergibt. Damit die Zunahme des Querschnittes 46 gegenüber dem Querschnitt nach Fig. 7 verglichen werden kann, ist der Schnitt in Fig. 9 nach rechts in die gleiche Lage gedreht dargestellt. Infolge der Querschnittsvergrösserung ergibt sich eine Lastverteilung auf die einzelnen Nadeln, wie sie in Fig. 6 über dem Querschnitt des zylindrischen Lagerzapfens 42 gezeigt ist.
Der Lastbereich wird etwa durch die jeweiligen Gesamtlasten 47, 48 und 49 auf den Nadeln in Fig. 6 dargestellt. Es zeigt sich, dass diese Gesamtlasten 47, 48 und 49 untereinander nahezu gleich sind, im Gegensatz zu den Lasten 16, 17 und 18 in Fig. 2. Die Querschnitte des Lagerauges und der Anteil der Aussenfläche der Lagerbuchse als
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feste Sitzfläche werden am besten durch Probieren bestimmt. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass die Lagerbuchse 36 auf etwa zwei Drittel ihrer Länge festsitzt, während das vordere Ende nur durch Reibungsschluss vom Deckel 37 in radialer Richtung gehalten wird.
Die Gleichförmigkeit der Lastverteilung wird noch dadurch unterstützt, dass die vier Arme des Zap- fenkreuzes in an sich bekannter Weise aus einer vertieft gekrümmten Wurzel 50 sich erstrecken und im wesentlichen je aus einem nach aussen kegelig abnehmenden Teil 51 bzw. 52 und den zylindrischen La- gerzapfen 42 bzw. 44 bestehen. Die Nadellager 34,35 sowie die Spielräume zwischen dem Deckel 37 und der Lagerbuchse 36 werden in üblicher Weise durch Schmierbohrungen 53 und 54 mit Schmiermittel versorgt, das an die Stirnflächen der zylindrischen Lagerzapfen 42 und 44 in Radialnuten 55 gelangen kann.
Wenn der zylindrische Lagerzapfen nach einer Weiterbildung der Erfindung eine sich nach aussen erweiternde Ausnehmung hat, die in an sich bekannter Weise als Schmiermittel-Vorratsraum dient, so trägt auch diese Formgebung zur gleichförmigen Lastverteilung im Lager bei.
Die Erfindung lässt sich sinngemäss auf jede Art von Lager, also auch auf Gleitlager, anwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kreuzgelenk, besonders für schwere Gelenkwellen von Kraftfahrzeugen, bestehend aus zwei Gelenkgabeln mit Lageraugen, gegebenenfalls mit Lagerbuchsen, in denen ein Zapfenkreuz mit zylindrischen Lagerzapfen gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialquerschnitte der nach aussen vorragenden Lageraugen (31,32) nach dem Zapfenende zu so schmäler werden, dass ferner diese Querschnitte an der Stelle des höchsten Lagerdruckes so klein wie zulässig sind und dass sie von dieser Stelle mindestens in einem Bereich von etwa 450 nach beiden Seiten, nach dem Gabelende und nach der Gabelwurzel zu, stetig so grösser werden, dass durch diese federnd nachgiebige Lagerung der Zapfen (42.
44) in den Lageraugen (31,32) die Last, die infolge des zu übertragenden Drehmomentes auf jedes der vier Lager (34,36) entfällt, sowohl über die Länge als auch über den Umfang jedes Lagers (34,36) möglichst gleichmässig verteilt ist.
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Universal joint, especially for heavy cardan shafts from
Motor vehicles
Cardan shafts with universal joints are generally used for power transmission in heavy vehicles driven by internal combustion engines. The universal joints, from which the invention is based, consist of two joint yokes with bearing eyes, possibly with bearing bushes, in which a journal cross with cylindrical bearing journals is mounted. There is a design with coverless eyes that surround the bearing made of one piece and another design with bearing eyes that are closed with a cover.
Particularly in heavy rail vehicle operation, more and more damage has been shown to such universal joints as a result of the constantly increasing performance and speed. This damage mainly occurred at the ends of the bearings, e.g. B. by breaking the most stressed needles when needle bearings are used; Above normal wear and tear, which even led to breakouts in the storage areas, was also found.
It was therefore planned to investigate how the load is actually distributed in such bearings with needles at a static maximum torque. For this purpose, the cylindrical journals of a journal cross were copper-plated and the universal joint was subjected to the maximum torque. The needles then showed impressions of a certain width on the copper layer. By calibrating such impressions, the load can be read off at every point directly from the respective width of the impression point. From this one can see the load distribution over the needle length.
In the drawing, FIGS. 1-4 illustrate a universal joint of the previous type, with FIG. 1 showing the journal cross and the load distribution in the longitudinal direction of the bearing, FIG. 2 showing the load distribution over the surrounding area. catch of the bearing, Fig. 3 shows a section through the journal bearing and Fig. 4 shows an assembled joint in the view.
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5-9Fig. 8 shows the view of the assembled joint; and FIG. 9 shows a section through the journal bearing in a sectional plane inclined by approximately 450 to the journal cross plane.
In Fig. 1 of the drawing, a cross member 11 of conventional design is shown. Curves 14 and 15, which result from individual measured values and show the distribution of the load in the load area along the most heavily loaded needle in the needle bearing, are plotted over the cylindrical bearing journals 12 and 13 of the journal cross. In both curves 14 and 15, the load at the outer end is almost double that of the middle load; the load also increases at the inner end.
In Fig. 2 of the drawing a section through the cylindrical bearing journal 12 is shown. The rays on the circumference of the cylindrical journal 12 indicate the total load on each individual needle. Here, too, it can be seen that the total load 16 of the needle in the load area is far higher than the total load 17 or 18 on the two adjacent needles in this area. According to this, the load distribution over the circumference of the cylindrical bearing journal also has an undesirable peak.
According to the invention, these peaks in the load distribution are eliminated in that the radial cross-sections of the outwardly protruding bearing eyes become so narrower after the journal end that
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Furthermore, these cross-sections at the point of highest bearing pressure are as small as permissible and that from this point at least in an area of about 450 to both sides, towards the fork end and towards the fork root, they are constantly larger so that this resiliently resilient mounting of the
Journal in the bearing eyes, the load that is due to the torque to be transmitted to each of the four I bearings is distributed as evenly as possible over the length and circumference of each bearing.
According to an embodiment of the invention which is preferred for reasons of space, each outwardly projecting bearing eye essentially has the shape of a square truncated pyramid. In further
In the embodiment of the invention, the bearing bush sits firmly in the bearing eye with only part of its outer surface.
The bearing bush is advantageously only allowed to sit tightly in the bearing eye with the part of its outer surface that is located after the center of the joint.
The even load distribution in the four journal bearings can also be improved by also designing the journal cross accordingly. For this purpose, it is expedient that the four arms of the journal cross extend in a manner known per se from a common, deeply curved root between the journals and essentially each consist of an outwardly conically decreasing part and the cylindrical bearing journal. The cylindrical bearing pin can, in addition to the usual
Lubricant bore, as is known per se, have a recess serving as a lubricant storage space, which, according to one embodiment of the invention, widens outward so that the cylindrical bearing part of the journal also contributes to the even load distribution in the bearing.
In FIGS. 3 and 4, 19 denotes one joint fork with a bearing eye 2u of rectangular cross-section, with 21 the other joint fork of the same type with eye 22 is designated. The cross member 11 with the four cylindrical bearing journals 12 and 13 (the other two are not shown) is mounted in the two joint yokes 19 and 21. Needles 23 in cages 24 and cans 25 are used for storage. These bearing bushes 25 are pressed into the eyes 20 and secured with snap rings 26. The needle bearings 23,24 are inwardly zu'in the usual way, z. B. by profile ring, sealed and are supplied through holes 27 and 28 with lubricant.
The universal joint according to the invention according to FIGS. 7-9 consists of the same type of joint fork
29 and 30 with bearing eyes 31 and 32. In the bearing eyes 31 and 32 a cross member 33 is mounted. The
Bearings of this cross member 33 each consist of needles 34 in a cage. 35 and a socket 36. The
Bushing 36, which is fixed with the part of its outer surface located towards the center of the joint in the bearing eye 31, is held in the axial direction by a screw-in cover 37 which is secured by caulking on its thread 38 at some points indicated by small circles (FIG. 8 ) its circumference is secured against unscrewing.
The cover 37 presses with an edge bs on a collar 4u of the socket 36 and has between its inner base 41 and the end face of the cylindrical bearing pin 42 of the
Pin cross 33 has a play of a few hundredths of a millimeter.
As can be seen from FIG. 7, which shows a section along the line 7-7 in FIG. 8, the cross section of the bearing eye 31 decreases towards the outside in a certain way. This and the only partially stuck
Bearing bushing 36 in eye 31 has the effect that the load in this area is uniformly distributed over the length of the bearing, as can be seen from the load distribution of curve 43 of the most loaded needle in FIG. 5 over bearing pin 42. The load arises from the fact that the fork 30 wants to take the journal cross 33 with it on the cylindrical bearing journal 44 in the direction of the arrow with the maximum torque. The load is transmitted to the cylindrical bearing journal 42 via the journal cross 33. The load distribution of the main loaded needle on the cylindrical bearing journal 44 is shown by curve 45.
The curves 43 and 45 no longer have peaks, but the load is almost uniformly distributed over the entire length of each bearing.
So that the distribution over the circumference of the bearing is as uniform as possible, according to the invention the cross section of the eye 31 or 32 of the joint fork 29 or 30 increases in a certain way out of the load area to both sides, especially towards the end of the joint fork. This is illustrated by the largest cross section 46 in FIG. 9, which reproduces the section along the line 9-9 through the bearing eye 32 in FIG. So that the increase in the cross section 46 can be compared with the cross section according to FIG. 7, the section in FIG. 9 is shown rotated to the right into the same position. The increase in cross section results in a load distribution on the individual needles as shown in FIG. 6 over the cross section of the cylindrical bearing journal 42.
The load range is represented approximately by the respective total loads 47, 48 and 49 on the needles in FIG. It can be seen that these total loads 47, 48 and 49 are almost identical to one another, in contrast to the loads 16, 17 and 18 in FIG. 2. The cross sections of the bearing eye and the proportion of the outer surface of the bearing bush as
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firm seating is best determined by trial and error. From FIG. 7 it can be seen that the bearing bush 36 is firmly seated over approximately two thirds of its length, while the front end is held in the radial direction by the cover 37 only by frictional engagement.
The uniformity of the load distribution is further supported by the fact that the four arms of the cross member extend in a manner known per se from a deeply curved root 50 and essentially each consist of an outwardly conically decreasing part 51 or 52 and the cylindrical bearing. gerzapfen 42 and 44 exist. The needle bearings 34, 35 and the clearances between the cover 37 and the bearing bushing 36 are supplied with lubricant in the usual way through lubricating bores 53 and 54, which lubricant can reach the end faces of the cylindrical bearing journals 42 and 44 in radial grooves 55.
If, according to a further development of the invention, the cylindrical bearing journal has an outwardly widening recess which serves as a lubricant storage space in a manner known per se, this shape also contributes to the uniform load distribution in the bearing.
The invention can be applied analogously to any type of bearing, including sliding bearings.
PATENT CLAIMS:
1. Universal joint, especially for heavy cardan shafts of motor vehicles, consisting of two joint forks with bearing eyes, optionally with bearing bushes in which a cross with cylindrical bearing journals is mounted, characterized in that the radial cross-sections of the outwardly projecting bearing eyes (31,32) according to the The pin end becomes so narrow that these cross-sections are as small as permissible at the point of highest bearing pressure and that from this point they are steadily larger in at least a range of about 450 to both sides, towards the fork end and towards the fork root that this resilient mounting of the pin (42.
44) in the bearing eyes (31,32), the load that falls on each of the four bearings (34,36) as a result of the torque to be transmitted is distributed as evenly as possible both over the length and over the circumference of each bearing (34,36) is.