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Universalgelenk zur Übertragung von Drehbewegungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Universalgelenk zur Übertragung von Drehbewegungen von einer
Welle auf eine andere. Es ist bekannt, ein derartiges Universalgelenk so auszubilden, dass die eine Welle mit drei starren, um 1200 zueinander versetzten Mitnehmerzapfen verbunden ist, auf denen kugelförmige Übertragungskörper drehbar und längsverschiebbar gelagert sind, die zwischen paarweise und symmetrisch einander gegenüberliegend angeordneten Führungsflächen eines mit der andern Welle verbundenen Mit- nehmerkopfes geführt sind. Ein derartiges Universalgelenk weist den Vorteil auf, dass die Winkelgeschwin- digkeiten beider Wellen in jeder Phase sowie auch in jeder Winkellage der beiden Wellen gleich sind.
Im allgemeinen können hiebei die beiden Wellen Winkel bis zu 600 miteinander einschliessen.
Die bekannten Konstruktionen besitzen jedoch wesentliche Nachteile sowohl hinsichtlich der oberen Grenzen der übertragbarenDrehmomente als auch hinsichtlich der Funktionssicherheit, insbesondere dann, wenn treibende und getriebene Welle einen grösseren Winkel miteinander einschliessen.
DieErfindung setzt sich zur Aufgabe, die Konstruktion eines Universalgelenkes der eingangs erwähnten Art zu verbessern und die erwähnten Nachteile zu vermeiden. Die Erfindung besteht hiebei im wesentlichen darin, dass die Führungsflächen von Rillen gebildet sind, deren Profil von zwei voneinander getrennten, den gleichen Krümmungsmittelpunkt aufweisenden Kreisbögen gebildet ist, wobei der Durchmesser dieser Kreisbögen dem Durchmesser der Übertragungskörper entspricht oder ihn überschreitet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die kugelförmigen Übertragungskörper kreisbogenförmige, also linienförmige Berührungsstellen mit den Führungsbahnen besitzen.
Dies bedeutet, dass bei gegebener Gelenkgrösse wesentlich grössere Übertragungskräfte zulässig sind, oder dass bei gegebenem WellendrehmomentdasGe- lenk wesentlich kleiner ausgelegt werden kann. Im Zusammenhang mit der paarweise und symmetrisch einander gegenüberliegenden Anordnung der Führungsflächen ergibt deren Ausbildung als Rillen zusätzlich den Vorteil einer eindeutigen Führung der Übertragungskörper. Es ist somit ermöglicht, die Übertragungskörper in jedem Betriebszustande auf dem äussersten Radius zu führen, wo sie das grösste Drehmoment übertragen können.
Hiedurch wird der bei bekannten Konstruktionen auftretende Nachteil vermieden, dass es erst einer gewissen Mindestdrehzahl der treibenden Welle bedarf, um die Übertragungskörper durch Fliehkraft auf den äussersten Radius zu bringen.
Durch die erfindungsgemässe Konstruktion ergibt sich eine zwangsweise Führung der Übertragungskörper derart, dass sie, wenn die beiden Wellen miteinander einen von 0 verschiedenen Winkel einschliessen, auf ihren Zapfen während der Drehung der Wellen hin-und hergleiten. Hiedurch werden wesentliche Vorteile hinsichtlich der Schmierung erreicht, da die auf den Zapfen hin-und hergleitenden kugelförmigen Übertragungskörper eine Pumpwirkung ausüben. Die verbesserte Schmierung ermöglicht ihrerseits wieder eine Erhöhung des maximalen zulässigen Drehmomentes.
Es ist nun bereits eine weitere Universalgelenkkonstruktion bekanntgeworden, bei welcher jeder kugelförmige Übertragungskörper in einer einzigen Führungsbahn geführt ist, die einen kreisbogenförmigen, über den Umfang geschlossenen Querschnitt aufweist. Bei dieser Konstruktion tritt als Nachteil auf, dass die Mitnehmerzapfen für die kugelförmigen Übertragungskörper nur kurz ausgebildet werden können, damit sie nicht an den Führungsbahnen reiben. Es enden daher die Mitnehmerzapfen bereits innerhalb der die Übertragungskörper bildenden Kugeln und es sind daher diese Kugeln nicht zur Gänze auf dem Mitnehmerzapfen gelagert.
Bei grösseren Gelenkwinkeln werden nun die Mitnehmerzapfen aus den Übertra-
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gungskugeln herausgezogen, wodurch die Reibung zwischen Zapfen und Kugeln und damit der Verschleiss stark zunimmt, während der Wirkungsgrad des Gelenkes abfällt. Darüber hinaus besteht die Gefahr des
Verklemmen. Demgegenüber ermöglicht es die Erfindung durch die Verwendung von Führungsflächen, deren Profil von zwei voneinander getrennten Kreisbögen gebildet ist, dass sich durch die zwischen den i Kreisbögen befindlichenspalte der Führungsflächenprofile die Mitnehmerzapfen hindurch erstrecken kön- nen, wodurch diese Mitnehmerzapfen so lange ausgebildet werden können, als es der gewünschte maxi- male Gelenkwinkel erfordert.
Zusätzlich tritt bei der erfindungsgemässen Konstruktion vorteilhaft in Erscheinung, dass ihr Gewicht und ihre Herstellungskosten gegenüber denen bekannter Konstruktionen niedriger sind. Insbesondere gilt dies dann, wenn gemäss bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die die kugelförmigen Übertra- gungskörper führenden Rillen in an sich bekannter Weise geradlinig verlaufen und parallel, schräg oder senkrecht zu der diesen Rillen zugeordneten Wellenachse liegen. Es ist jedoch auch im Rahmen der Er- findung möglich, die Anordnung so zu treffen, dass die Rillen kreisbogenförmig verlaufen. Auch in die- sem Fall ergibt sich eine relativ einfache Herstellung der Rillen.
Geradlinig verlaufende Rillen bieten i überdies den Vorteil einer verbesserten Schmierung der Übertragungskugeln, da diese bei einer Winkel- stellung der beiden Wellen auf den geraden Führungsbahnen wandern müssen.
Bei der praktischen Realisierung des Erfindungsgegenstandes können die Mitnehmerzapfen in an sich bekannter Weise parallel zur Achse der ihnen zugeordneten Welle verlaufen. Es ist jedoch auch möglich, diese Mitnehmerzapfen schräg oder in an sich bekannter Weise-senkrecht zu dieser Wellenachse anzuord- nen. Es ergibt sich daher für den Konstrukteur eine weitgehende Freiheit hinsichtlich der Anpassung der erfindungsgemässen Konstruktion an die vorliegenden Gegebenenheiten, so dass das erfindungsgemässe Ge- lenk universell verwendbar ist. Im Rahmen der Erfindung können die Mitnehmerzapfen hiebei von einer
Platte getragen sein, welche an der dem Mitnehmerzapfen zugeordneten Welle befestigt ist.
Es ist jedoch auch möglich, die Anordnung so zu treffen, dass die Mitnehmerzapfen in an sich bekannter Weise starr mit der sie tragenden Welle verbunden sind und von dieser Welle strahlenförmig ausgehen oder in einem auf dieser Welle befestigten, glockenförmigen Körper strahlenförmig angeordnet sind, wobei ihre Achsen nach einem gemeinsamen, in der Wellenachse liegenden Punkt gerichtet sind.
Um axiale Verschiebungen der beiden Wellen gegeneinander zu vermeiden und gegebenenfalls eine
Zugbeanspruchung des Gelenkes zu ermöglichen, kann im Rahmen der Erfindung die Anordnung so getrof- fen sein, dass im Achsenschnittpunkt der Zapfen in an sich bekannter Weise ein Element mit kugelförmi- ger Oberfläche angeordnet und zwischen Anschlägen geführt ist, die an der die Führungsrillen tragenden
Welle befestigt sind, wobei die an dem kugelförmigen Körper der Zapfen anliegenden Flächen der An- schläge senkrecht zur Achse der ihnen zugeordneten Welle verlaufen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Fig. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung, während in den Fig. 2 und 3 eine erste Ausführungsform jeweils im Schnitt dargestellt ist. Fig. 2 ist hiebei ein Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 3, Fig. 3 ein Schnitt nach der
Linie III-III der Fig. 2. Die Fig. 4,5 und 6 zeigen drei weitere Ausführungsformen jeweils im Schnitt, während Fig. 7 ein Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6 ist. Fig. 6 ist hiebei ein Schnitt nach der
Linie VI-VI der Fig. 7. Die Fig. 8 und 9 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele, während Fig. 10 ein
Schnitt nach der Linie X-X der Fig. 9 ist, die einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 10 darstellt.
Das erfindungsgemässe Universalgelenk besteht gemäss Fig. 1 im wesentlichen aus einem ersten, auf der antreibenden oder angetriebenen Welle befestigten Mitnehmerkopf 1, aus einem auf der andern Welle befestigten zweiten Mitnehmerkopf 2 und aus die Übertragungskörper bildenden Kugeln 3, die die Ver- bindung zwischen den Mitnehmerköpfen 1 und 2 herstellen.
Der Mitnehmerkopf 1 trägt drei Zapfen 4, die zwischen sich Winkel von 1200 einschliessen und die jeder eine Kugel 3 tragen, die mittels einer Mittelbohrung auf dem zugehörigen Mitnehmerzapfen 4 ge- führt ist.
Der Mitnehmerkopf 2 besitzt drei Paare von Führungsflächen 5, deren Profil Kreisbögen sind, welche voneinander getrennt sind, jedoch den gleichen Krümmungsmittelpunkt aufweisen. Auf diesen Führungsflächen 5 sind die Kugeln 3 geführt, wodurch eine Verschwenkung der Mitnehmerzapfen 4 gegenüber dem Mitnehmerkopf 2 möglich ist. Die Führungsflächen 5 bilden hiebei eine Art Käfig für die Kugeln 3, und besitzen in der Ebene der Fig. 1 einen Symmetriepunkt, durch welchen der entsprechende Mitnehmerzap- fen 4 mit seiner Achse hindurchgehen muss. Dies ist jedoch die einzige Bedingung, welcher der Mitnehmerzapfen 4 genügen muss. Im übrigen ist die Freiheit des durch die drei Mitnehmerzapfen 4 geschaffenen Gebildes gegenüber dem Mitnehmerkopf 2 durch die Drehung und das Gleiten der Kugeln 3 auf den Zapfen gewährleistet.
Zweckmässig ist der Radius der Kugeln 3 gleich dem der Kreisbögen, welche das
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Profil der Führungsflächen 5 bilden. Es kann jedoch der Durchmesser der die Übertragungskörper bildenden Kugeln 3 auch etwas kleiner als der Radius der Führungsflächen sein.
Wie aus Fig. 1, welche das Prinzip der Erfindung zeigt, ersichtlich ist, können die sich durch den Spalt zwischen den Kreisbögen, welche die Profile der Führungsflächen 5 bilden, erstreckenden Zapfen 4 leicht mit den Kugeln 3 zwischen die Führungsflächen 5 eingesetzt werden und sich in ihnen in Abhängigkeit von der Winkelstellung der beiden durch das Gelenk zu verbindenden Wellen frei verschieben.
Das Prinzip eines derartigen Universalgelenkes kann nun in zahlreichen Ausführungsformen realisiert werden. Gemäss der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 besteht der Mitnehmerkopf 1 aus einem kugelförmigen Teil, an welchem drei Mitnehmerzapfen 4 radial befestigt sind, von welchen jeder eine den Übertragungskörper bildende Kugel 3 trägt. Die Mitnehmerzapfen erstrecken sich hiebei bis zu einer kugelförmigen Kappe 7, in welcher die äusseren Enden der Mitnehmerzapfen 4 gehalten sind. Diese Mitnehmerkappe 7 ist mit der einen Welle 6 fest verbunden. Die andere Welle 8 endet in einen Mitnehmerkopf 2, welcher im wesentlichen kugelschalenförmig ausgebildet und mit Führungsflächen 5 versehen ist, welche entlang von Kreisbogen 5a verlaufen.
Der Mitnehmerkopf 2 weist hiebei Anschläge 9,10 auf, welche so ausgebildet sind, dass sie auf dem kugelförmigen Mitnehmerkopf 1 aufliegen und axiale Verschiebungen der beiden Wellen 6,8 gegeneinander verhindern.
Gemäss der Ausführungsform nach Fig. 4 besitzt der mit der Welle 6 verbundene Mitnehmerkopf 1 die Form einer Kugelkappe, die die Mitnehmerzapfen 4 trägt, welche jedoch hier schräg zur Achse der Welle 6 verlaufen. Auf der andern Welle 8 ist ein Mitnehmerkopf 2 von Kugelform befestigt, in welchen die von Rillen gebildeten Führungsflächen 5 angeordnet sind. Auch hier sind diese Führungsflächen 5 mit Kreisbogenprofil ausgeführt und verlaufen wie bei Fig. 3 ebenfalls nach Kreisbögen. Die Führungsflächen 5 sind hiebei gegeneinander um einen Winkel von je 1200 versetzt, wobei die Mittelpunkte der Kreise, nach welchen die Führungsflächen geformt sind, zusammenfallen. In diesen Führungsflächen 5 sind die auf den Zapfen 4 gelagerten Kugeln 3 geführt.
Wie ersichtlich, sind die Mitnehmerzapfen in dem mit der Welle 6 verbundenen glockenförmigen Mitnehmerkopf 1 strahlenförmig angeordnet, wobei die Achsen
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kann ein solches sternförmiges Gebildefinden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 verlaufen die von der Welle 6 ausgehenden Mitnehmerzapfen 4 schräg unter einem Winkel von 450 zur Achse der Welle 6. Der mit der andern Welle 8 verbundene Mitnehmerkopf 2 besitzt die Form eines konischen Trichters, in welchen um 1200 gegeneinander versetzte Führungsflächen angeordnet sind. Diese Führungsflächen 5 haben hier die Form von Kreiszylinderflächen, deren Mittellinien unter 450 zur Achse der Welle 8 geneigt sind. Selbstverständlich kann auch eine andere Neigung der Mitnehmerzapfen 4 sowie der Führungsflächen 5 gewählt werden.
Gemäss den Fig. 6 und 7 besteht der auf der Welle 6 befestigte Mitnehmerkopf 1 aus einer Platte, auf welcher die um je 1200 versetzten Mitnehmerzapfen 4 parallel zur Achse der Welle 6 angeordnet sind.
Der Mitnehmerkopf 2 ist ebenfalls plattenförmig ausgebildet und ist mit der Welle 8 verbunden. Zwecks leichterer Herstellung ist hiebei der Mitnehmerkopf 2 unterteilt und es ist die Platte 2 auf einen mit der Welle 8 verbundenen Flansch 8a aufgesetzt. In der Platte 2 sind nun die die Führungsflächen bildenden Rillen um 120 zueinander versetzt angeordnet. Die auf die Mitnehmerzapfen 4 aufgeschobenen, die Übertragungskörper bildenden Kugeln 3 können sich um die Mitnehmerzapfen 4 drehen und längs der Führungsflächen in Abhängigkeit von der gegenseitigen Neigung der beiden Wellen 6,8 gleiten. Der Flansch 8a der Welle 8 ist hiebei mit Schlitzen 8b versehen, durch welche die äusseren Enden der Mitnehmerzapfen 4 hindurchtreten können.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der mit der Welle 6 über eine Kappe 7'und die Mitnehmerzapfen 4 verbundene Mitnehmerkopf 1 kugelförmig ausgebildet ist. Die Achsen der Mitnehmerzapfen 4 verlaufen senkrecht zur Achse der Welle 6. Der mit dem Mitnehmerkopf 1 zusammenwirkende Mitnehmerkopf 2, welcher mit der andern Welle 8 verbunden ist, besteht aus einer zylindrischen Nabe, in welcher um 1200 gegeneinander versetzt, die von Rillen gebildeten Führungsflächen 5 vorgesehen sind. Auch hier bestehen die Führungsflächen aus Zylinderflächen, deren Profil zwei voneinander getrennte Kreisbögen mit gemeinsamem Mittelpunkt sind. Die Erzeugenden dieser Zylinderflächen sind parallel zur Achse der Welle 8 gerichtet.
Anschläge 11,12 welche beliebig ausgebildet werden können, liegen am Mitnehmerkopf 1 an, um axiale Verschiebungen der beiden Wellen 6,8 gegeneinander zu verhindern.
Es stellt somit der Mitnehmerkopf 1 ebenfalls eine Art kugelförmiger Übertragungskörper dar.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 und 10 gehen die Mitnehmerzapfen 4, welche starr mit dem den Mitnehmerkopf 1 bildenden Ende der Welle 6 verbunden sind, strahlenförmig von diesem Mitneh-
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merkopf 1 aus. Alle Mitnehmerzapfen 4 liegen hiebei mit ihren Achsen in einer Ebene, welche senkrecht auf die Achse der Welle 6 steht. Der mit der Welle 8 verbundene Mitnehmerkopf 2 ist hiebei nabenför- mig ausgebildet und besitzt drei Rillen 5, welche gegeneinander um 1200 versetzt auf dem Mitnehmer- kopf 2 angeordnet sind. Das Profil der Rillen ist auch hier von zwei voneinander getrennten Kreisbögen mit gemeinsamem Mittelpunkt gebildet. Die Rillen 5, welche die Führungsflächen bilden, verlaufen par- allel zur Achse der Welle 8.
Bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele schneiden in jedem Moment und unab- hängig von der Winkelstellung der beiden Wellen 6,8 die drei Achsen der Mitnehmerzapfen 4 jeweils eine der drei Mittellinien der Führungsflächen 5, welche am jeweils andern Mitnehmerkopf angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, dass die Mitnehmerzapfen 4 entsprechend lang ausgebildet werden können, so dass sich die die Übertragungskörper bildenden Kugeln 3 entlang der gesamten Länge der die Führung- flächen 5 bildenden Rillen bewegen können.
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 5,6 und 9 ist eine Längsverschiebung der einen Welle re- lativ zur andern sowohl bei umlaufenden als auch bei feststehenden Wellen möglich. Eine solche Längs- verschiebung der beiden Wellen gegeneinander kann auch bei der Ausführungsform nach Fig. 8 erreicht werden, wenn die Anschläge 11,12 weggelassen werden.
Wie ersichtlich, unterscheiden sich die Ausführungsformen nach den Fig. 8 und 9 bzw. 10 auch da- durch, wie die Mitnehmerzapfen 4 mit der ihnen zugeordneten Welle 6 verbunden sind. In Abhängigkeit von den gestelltenForderungen und den für das zu übertragendeDrehmoment gegebenen Arbeitsbedingun- gen kann die eine oder andere Lösung vorteilhafter sein..
Wenn die Durchmesser der Mitnehmerzapfen 4 die Abmessungen des Mitnehmerkopfes 2 bei Anord- nung eines zentralen Mitnehmerkopfes überschreiten, so gestattet die Verbindung der Mitnehmerzapfen 4 untereinander bzw. über eine Kappe od. dgl. (vgl. z. B. Fig. 8) die mühelose Verbindung der Mitnehmer- zapfen mit der sie tragenden Welle. Auf diese Weise kann jede beliebige Verstärkung der Zapfen 4 erzielt werden. Ausserdem bewirkt eine Verbindung der Mitnehmerzapfen 4 miteinander, sei es durch eine die äusseren Enden der Mitnehmerzapfen 4 verbindende Kappe 7' (Fig. 8), sei es durch einen zentralen Mitnehmerkopf 1 (Fig. 8), eine Versteifung der Konstruktion, so dass die Konstruktion noch weiter hinsichtlich ihrer Robustheit verbessert wird.
Für besonders grosse Winkel, welche die beiden Wellen 6,8 miteinander einschliessen sollen, können mehrere erfindungsgemässe Universalgelenke hintereinandergeschaltet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Universalgelenk zur Übertragung von Drehbewegungen von einer Welle auf eine andere, von welchen die eine Welle mit drei starren, um 1200 zueinander versetzten Mitnehmerzapfen verbunden ist. auf denen kugelförmige Übertragungskörper drehbar und längsverschiebbar gelagert sind, die zwischen paarweise und symmetrisch einander gegenüberliegend angeordneten Führungsflächen eines mit der andern Welle verbundenen Mitnehmerkopfes geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsflächen von Rillen gebildet sind, deren Profil von zwei voneinander getrennten, den gleichen Krümmungsmittelpunkt aufweisenden Kreisbögen gebildet ist, wobei der Durchmesser dieser Kreisbögen dem Durchmesser der Übertragungskörper entspricht oder ihn überschreitet.