CH346073A - Universal joint - Google Patents

Universal joint

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CH346073A
CH346073A CH346073DA CH346073A CH 346073 A CH346073 A CH 346073A CH 346073D A CH346073D A CH 346073DA CH 346073 A CH346073 A CH 346073A
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CH
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balls
angle
raceways
grooves
universal joint
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Cull William
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Birfield Eng Ltd
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    • F16D3/00Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/20Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members
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Description

       

  Kreuzgelenk    Die Erfindung betrifft ein     drehmomentübertra-          gendes    Kreuzgelenk vom Typ mit konstantem Ge  schwindigkeitsverhältnis, bei dem das Drehmoment  durch mehrere Kugeln übertragen wird, die in       Meridianlaufnuten    in einem wenigstens teilweise  kugelförmigen Innenteil am einen Antriebselement  und- in einem hohlen, wenigstens teilweise kugel  förmigen Aussenteil am andern Antriebselement des  Kreuzgelenkes angeordnet sind, und bei dem ein Käfig  zum Festhalten der Kugeln zwischen den genannten  beiden Teilen vorgesehen ist.  



  Bei Gelenken der oben genannten Art ist es we  sentlich, dass die Berührungsstellen der Kugeln mit  ihren Laufbahnen unter allen Umständen in einer  Ebene liegen müssen, welche den Knotenpunkt des  Kreuzgelenkes enthält und auch den Winkel zwischen  den Achsen der Antriebselemente halbiert. Bei bisher  bekannten Gelenken der genannten Art wurde dieser  Forderung durch Mittel zur Steuerung der Lage des  Kugelkäfigs gemäss dem veränderlichen Winkel der  Achsen der Antriebselemente entsprochen, Bei einer  allgemein bekannten Gelenkkonstruktion wird die er  forderliche Steuerung durch einen Stift oder einen  Hebel bewirkt, welcher in einem der Antriebselemente  geführt ist und einen     kugelförmigen    Sitz im Ende des  andern Antriebselementes besitzt,

   wobei der genannte  Stift oder der Hebel an einem mittleren Punkt in  seiner Länge eine sphärische Sitzverbindung mit einer  Fortsetzung des Kugelkäfigs aufweist, um letzteren  gemäss dem zwischen den Antriebselementen vorhan  denen Winkel einzustellen. Es wurde auch vorge  schlagen, ein Gelenk der genannten Art zu schaffen,  bei welchem die Kugellaufbahnen Nuten mit gleichem  Radius wie die verwendete Kugel sind, um die Längs  krümmungen der innern und äussern Laufnuten jeweils  konzentrisch zu mit Abstand voneinander angeord-         neten    Punkten verlaufen, welche auf der Achse der  Gelenkwelle liegen.  



  Die vorliegende Erfindung bezweckt, ein verbes  sertes Gelenk der genannten Art zu schaffen, bei wel  chem das .erforderliche Einstellen der die Kugeln ent  haltenden Ebene in zufriedenstellender Weise be  wirkt wird, ohne dass es nötig ist, steuernde oder  lenkende Vorrichtungen für den Kugelkäfig vorzu  sehen.  



  Das erfindungsgemässe Kreuzgelenk     mit    konstan  tem     Geschwindigkeitsverhältnis,    bei welchem das  Drehmoment durch mehrere Kugeln übertragen wird,  die in     Meridianlaufnuten    in einem wenigstens teilweise  kugelförmigen Innenteil am einen Antriebselement  und in einem hohlen, wenigstens teilweise kugel  förmigen Aussenteil am andern Antriebselement des  Kreuzgelenkes angeordnet sind, und bei welchem ein  Käfig zum Festhalten der Kugeln zwischen den beiden  Teilen vorgesehen ist, ist gekennzeichnet durch     Meri-          dianlaufnuten    von solchem Querschnitt,

   dass sie be  schränkte Berührungsflächen mit den in einer Bahn  einwärts von den     Meridianlaufnutenrändern        liegenden     Kugeln bilden, um einen     zweckmässigen    Druckwinkel  zu erzielen, wobei die Böden der genannten Nuten  ausser Berührung mit der Kugel sind oder gänzlich  fehlen und die Ausbildung der Nuten so ist, dass die  zusammenlaufenden Teilungsbahnen sich kreuzen und  die     Nutenflankenberührungslinien    der innern und  äussern Laufbahnen, wenn die Antriebselemente des  Gelenkes ausgerichtet sind, unter einem Winkel kon  vergieren, der mehr als zweimal so gross als der Rei  bungswinkel für die Kugeln und Laufbahnen ist,

    damit eine aus dem Übertragungsdrehmoment abge  leitete Kraft zum Einstellen der Kugeln in die erfor  derliche Lage zu dem Winkel zwischen den Achsen der  Antriebselemente entsteht.      In der     beiliegenden    Zeichnung ist eine beispiels  weise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes  dargestellt.

   Es zeigt:       Fig.    1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemässen  Kreuzgelenkes,       Fig.    2 einen Querschnitt durch das Gelenk nach  der Linie     X-X    der     Fig.    1,       Fig.    3 eine schematische Endansicht der innern  und äussern Laufnuten mit den darin befindlichen Ku  geln, wobei die Geometrie der Laufbahnellipsen, das  Zusammenpassen und Berühren zu ersehen     sind,          Fig.    4, 5 und 6 geometrische Darstellungen, aus  denen die Art hervorgeht, wie die Mittelpunkte an  geordnet sind, von denen aus die zusammenarbei  tenden Laufbahnen der innern und äussern Laufnuten  gebildet sind.  



  Bei der in den     Fig.    1 und 2 gezeigten Ausfüh  rungsform des genannten Kreuzgelenkes ist ein dreh  momentübertragendes Gelenk von einem Typ mit  konstantem Geschwindigkeitsverhältnis vorgesehen,  welches innere und äussere Laufbahnteile 1 und 2  besitzt, die an den Wellen 3 bzw. 4 ausgebildet bzw.  an letzteren angebracht sind. Der Innenteil 2 weist  eine teilweise     kugelförmige    Oberfläche 5 und senk  recht zu seiner Wellenachse stehende Endflächen 6  und 7 auf.

   Der Aussenteil 1 ist hohl ausgebildet und  besitzt     eine    teilweise     kugelförmig    verlaufende, innere  Oberfläche 8, die am Knotenpunkt 9 zentriert ist; fer  ner enthält dieser Aussenteil     Meridiankugellaufnuten     10 und bildet ein Ganzes mit seiner Welle 3. Der  Schnittpunkt 9 der beiden Wellenachsen stellt den  Mittelpunkt oder Knotenpunkt des Gelenkes dar. Die  Laufnuten 10 des Aussenteils enden vorzugsweise am  einen Ende in Spielräumen 11, welche das Schleifen  der Nuten erleichtern und auch das Einfügen der  Kugeln in die Nuten unterstützen.

   In einem zwischen  den sphärischen Oberflächen der innern und     äussern     Teile des Gelenkes vorhandenen Spielraum 12 ist ein       Käfig    13 angeordnet, welcher Schlitze oder Öffnun  gen für die Aufnahme und Festhaltung der dreh  momentübertragenden     Kugeln    14 aufweist, die an der  einen Seite mit den innern Laufnuten 15 und an der  andern Seite     mit    den äussern Laufnuten 10 in Be  rührung kommen.

   Der Käfig hat teilweise sphärische,  äussere und     innere,    konzentrisch zueinander verlau  fende Oberflächen, welche mit .einer ringförmigen  Oberfläche 8 von teilweise sphärischer Form am  Aussenteil 1 und einer teilweise sphärischen Ober  fläche 5 am Innenteil 2 zusammenwirken, wobei der  sphärische Mittelpunkt des Käfigs der Mittel- oder  Knotenpunkt 9 des Gelenkes ist.  



  Die Querschnitte der     Meridianlaufnuten    sind etwas  kleiner als die     Hälfte    einer Ellipse gefräst oder ge  schliffen, deren gemeinsame Hauptachse radial zum  Gelenk     liegt.    Dies geht aus     Fig.3    hervor, wo die  äussere Laufbahn 10 und die innere Laufbahn 15  der besseren Übersicht wegen radial getrennt darge  stellt sind. Die gemeinsame Hauptachse ist bei 18  gezeigt, wobei der Kugelmittelpunkt bei 19 liegt. Die         kleinere    Achse 20 für die innere Nut 15 liegt über  dem Kugelmittelpunkt, während die kleinere Achse  21 für die äussere Nut 10 unter dem entsprechenden  Mittelpunkt angeordnet ist.

   Die     Evolute    der äussern  Laufbahnellipse ist bei 22 gezeigt, während die     Evo-          lute    der innern Laufbahnellipse bei 23 dargestellt ist.  Ein passender Druckwinkel     P,,        (Fig.    4) für die     Kugeln     ist vorausbestimmt, und beim vorliegenden Beispiel ist  angenommen, dass dieser Winkel 45  beträgt, wobei  jedoch dieser Druckwinkel geändert werden kann,  um besonderen Umständen zu entsprechen.

   Der Aus  druck  Druckwinkel  bezeichnet den Winkel zwischen  der durch die Kugel und Laufbahnen gehenden Linie  und einer Linie, die durch den Mittelpunkt der Kugel  geht und radial zum     Kugelteilungskreis    verläuft, wenn  dieser Kreis in die Ebene projiziert ist, welche den  Knotenpunkt des Gelenkes enthält und auch den  Winkel zwischen den genannten Achsen halbiert.  Die hauptsächlichen Kreisbögen der Ellipse sind  am Berührungspunkt mit der Kugel von den Mittel  punkten 24 bzw. 25     (Fig.    3) aus geschlagen, welche  auf der unter 45  verlaufenden Drucklinie 26 an einer  Stelle liegen, wo die Drucklinie die     Evolute    der Ellipse  tangiert.

   Der Radius des Bogens     (rco    oder     rci)    ist  grösser als der Radius
EMI0002.0035  
   der Kugel, und zwar um  so viel, wie die gewünschte Übereinstimmung betra  gen soll. Die Ausbildung dieser     Querschnittsnuten    ist  so, dass die Hauptbögen flankierende Laufbahnen dar  stellen, innerhalb welcher die Kugelberührungen  liegen, während die kleineren Bögen der Ellipse an  den Böden der Laufnuten angeordnet sind und sich  ausser Berührung mit den Kugeln befinden. Bei ge  wissen Konstruktionen können die Bodenteile der  Nuten auch weggelassen werden.

   Das Verhältnis der       Übereinstimmung    zwischen Laufbahnradius und Ku  gelradius kann     zweckmässigerweise    1,02 sein, das  heisst, am Punkte der     Berührung    ist der Radius der  Laufbahn     1,02mal    so gross wie der Kugelradius. Diese  Zahl kann in der Praxis geändert werden, um die       Bedingung    aufrechtzuerhalten, dass die engen     Berüh-          rungsflächen    der Kugeln nicht zu nahe zusammen  kommen oder die Ränder der Laufnuten überragen.

    Die Kugeln und Nuten sind so proportioniert, dass bei       Drehmomentbelastung    des Gelenkes an den von den       Kugelkontakten    abgewandten Seiten ein kleiner Spiel  raum vorhanden ist. Die Berührungsflächen der     Ku-          geln.    an den Flanken der Laufbahnen nehmen unter  Druck die Form einer in     Fig.    3 übertrieben darge  stellten kleinen Ellipse 27 an, und die Bahn dieser  Berührungen     liegt    stets einwärts der     Laufnutenränder,     so dass der entwickelte Druck keine Verschiebung des  Materials an den     Nutenkanten    hervorruft.

   Anstatt  elliptisch ausgebildet zu sein, können die     Laufbahnen     auch andere Formen aufweisen und beispielsweise  kreisbogenförmig sein oder Teile einschliessen, die  flachen Querschnitt besitzen, um kleine, wie oben be  schrieben angeordnete     Kugelberührungsflächen    vor  zusehen.

        Zum Ausüben einer steuernden oder lenkenden  Kraft an den Kugeln und dem Kugelkäfig, welche  die Kugeln genau mit Bezug auf den Winkel zwischen  den Wellen einstellt, wenn letztere entweder aus  gerichtet sind oder unter einem kleinen Winkel geneigt  liegen, ist es erforderlich, dass sich die zusammen  wirkenden Teilungsbahnen der innern und äussern  Bahnen bei ausgerichteter Lage der Wellen unter  einem Winkel kreuzen und die     Nutenflankenberüh-          rungslinien    (oder momentane Tangenten) konver  gieren, welcher Winkel mehr als zweimal so gross als  der Reibungswinkel der Kugeln und     Laufbahnen    ist.  Der Reibungswinkel wird erfahrungsgemäss bestimmt  und hängt von der Art der Materialien ab, aus denen  Kugeln und Laufbahnen hergestellt sind.

   Für den  Zweck dieses Ausführungsbeispiels ist angenommen,  dass der Reibungswinkel     5"    beträgt, in welchem Fall  die zur Ausrichtung der Kugeln erforderliche Len  kungskraft erreicht wird, wenn der Kreuzungswinkel  der Teilungsbahnen (oder Konvergenz)     11"    28' beträgt.  Zum Erfüllen der oben genannten Bedingungen für  das Kreuzen von zusammenwirkenden Teilungsbahnen  ist es erforderlich, die jeweiligen Mittelpunkte zu be  stimmen, von welchen die zusammenwirkenden Lauf  bahnen der innern und äussern Nuten jeweils ge  bildet sind, und dies kann graphisch mit Bezug auf  die     Fig.    4, 5 und 6 in der folgenden Weise erklärt  werden.

   Nach Bestimmung eines passenden Druck  winkels von beispielsweise 45  wird ein Kegel 28  mit dem Mittelpunkt 19 der Kugel als Scheitel des  selben und mit einem Scheitelwinkel von doppelter  Grösse des Druckwinkels gezeichnet, wobei die Basis  <I>29</I>     (ac)    des Kegels horizontal verläuft und in seiner  Mitte den Mittel- oder Knotenpunkt 9 des Gelenkes  aufweist. Der Kegel 28 wird im folgenden als Druck  winkelkegel bezeichnet. Dieser Kegel wird dann in  Richtung des Pfeils E unter dem Druckwinkel proji  ziert, das heisst unter dem Winkel von     45"    auf einer  Fläche so dargestellt, dass seine Basis als eine Ellipse  30 erscheint, welche durch den Mittelpunkt der Kugel  läuft, wobei der Mittelpunkt des Gelenkes in der  Mitte der Ellipse erscheint.

   Um die erforderliche  Steuerung oder Lenkung der Kugeln zu erzielen,  müssen deren Berührungspunkte mit den innern und  äussern Laufbahnen auf die schrägen geraden Linien  31 und 32 zu liegen kommen, welche sich durch  den Kugelmittelpunkt erstrecken, wie aus dem Projek  tionsdiagramm in     Fig.    4 hervorgeht. Ferner muss die  an der Kugel und     Käfiganordnung    wirkende Len  kungskraft stets grösser sein als die durch den Ku  gelmittelpunkt gehende Last, multipliziert mit dem  Reibungskoeffizienten.

   Wenn der Reibungskoeffizient,  wie oben angenommen,     5     beträgt, dann stellt der  Winkel 5144' den Winkel     a)    dar, welcher die Hälfte  des erforderlichen Winkels     (Konvergenzwinkels)    zwi  schen den oben genannten schrägen Linien ist, die  durch die beiden Laufbahnberührungspunkte der Ku  gel laufen, welche den projizierten     Kegelbasiskreis    30  an den beiden bei     ai    und     a"    gezeigten Punkten schnei  den.

   Zur Erzeugung der Laufbahnen ist es dann nötig,    die Polarkoordinaten der Punkte     ai    und     a"    in der  den Basiskreis des     Druckwinkelkegels    enthaltenden  Ebene und in einer normal dazu verlaufenden Ebene  zu bestimmen, welche den Mittelpunkt des Gelenkes  und der Kugel enthält. Ein passendes Verfahren be  steht darin, einen     Hilfswinkel        ,SZ,    durch welchen sich  der geometrische Ort der     Teilungsbahn    um den Basis  kreis des     Druckwinkelkonus    drehen muss, wie folgt  zu bestimmen:  
EMI0003.0024     
    Die Konstante K bezeichnet das Verhältnis zwi  schen dem     Rollkreisradius    und dem Kugeldurchmesser.

    Wenn angenommen wird, dass der Druckwinkel       PA    = 45 ; d = l; K = 1,65 und     ca.    =     51144'    beträgt,  so ergibt sich hieraus ein Hilfswinkel     ,SZ    zu     8"    7'. Auf  diese Weise kann die seitliche Verschiebung der Lauf  bahnen und somit die Lage der beiden Punkte     ai    und       a"    an den Basiskreis, wie in     Fig.    4 gezeigt, bestimmt  werden; diese Punkte bilden die erzeugenden geome  trischen     Oerter    der innern und äussern     Laufbahnen     zur Erzielung der erforderlichen Laufbahnkonvergenz.  



       Bezugnehmend    auf     Fig.    5 ist ein Teil des Basis  kreises mit den     daraufliegenden    Punkten     a1    und     a"     bei 30 dargestellt; von diesen Punkten aus sind dann  jeweils die Kreise der     Teilungsbahnen    33 und 34 der  innern und äussern Laufbahnen geschlagen, wobei  diese Teilungsbahnen, wie gezeigt, konvergieren. Der  wahre     Laufbahnkonvergenzwinkel,    welcher 2     co    be  trägt, ist bei 35 in     Fig.    4 angezeigt.  



       Fig.    6 ist eine Draufsicht auf den Druckwinkel  kegel der     Fig.4    und zeigt ein     Käfigfenster    36, in  welchem die Kugel angeordnet ist. Der Durchmesser  der Kugel ist bei 37 und der     Kugelberührungskreis    bei  38 angedeutet. Die innere     Laufbahnflanke    ist mit 33  und die äussere Laufbahnflanke mit 34 bezeichnet.

   Es  ist zu beachten, dass infolge der Laufbahnkonvergenz  ein in Richtung des Pfeils T gegebenes Antriebs  moment eine an dem Käfig angreifende Komponente  der Kraft     T,    erzeugt und somit die Kugeln und den  Käfig     zwangläufig    in die korrekte Lage lenkt, welche  diejenige Lage ist, welche den Winkel zwischen den  Wellen des Gelenkes halbiert.  



  Aus vorangehendem ist zu ersehen, dass der Ab  stand     zwischen    den erzeugenden geometrischen     Oer-          tern        a1    und a" und dem Kugelmittelpunkt bei allen       Wellenwinkeln    gleich ist, und dass von diesen Mittel  punkten durch den     Kugelmittelpunkt    geschlagene  Kreisbogen (39 und 40,     Fig.    5) die Teilungsbahnen  der innern bzw. äussern Laufbahnen darstellen und  sich unter dem bestimmten Winkel wie oben ausge  führt, kreuzen. Die oben genannten Zahlenwerte sind  selbstverständlich nur beispielsweise angegeben und  können den Umständen gemäss geändert werden.

   Der  kreuzende     Konvergenzwinkel    2     w    der zusammenlau  fenden     Bahnberührungslinien    sollte jedoch nicht  wesentlich grösser als der Winkel sein, welcher bei  ausgerichteten Wellen zur Erzielung der gewünschten  Lenkungskraft an den     Kugeln    und dem Käfig nötig      ist.

       Erfahrung    führt zu einem Grenzwert von     2,4ma1     dem Reibungswinkel, wobei die Tatsache zu berück  sichtigen ist, dass die Lenkungskraft bei einer Zu  nahme der     Wellenwinkligkeit    auch zunimmt, und  dass bei Wellenneigungen, die einen Winkel von     un-          P   <B>0</B>     -          fähr        1111    überschreiten, eine zusätzliche     Lenkungs     kraft theoretisch nicht mehr nötig ist.  



  Aus     Fig.4    ist ersichtlich, dass die Berührungs  punkte 31<I>a</I> und 31<I>b</I> der Kugeln mit den     innern    und  äussern Bahnnuten um den Abstand     sin        co    ausser  halb der Ebene 31 c liegen, welche den
EMI0004.0014  
   Schnittpunkt  der Gelenkachsen enthält und dass der von den Linien  31 und 32 eingeschlossene Winkel 31d 180 -2     c)     beträgt.  



  Die     beschriebene    Anordnung zeigt ein eine kon  stante Geschwindigkeit besitzendes,     drehmomentüber-          tragendes    Kreuzgelenk, bei welchem der Kugel- und       Käfigzusammenhalt        zwangläufig    durch eine Kraft ge  steuert oder gelenkt wird, welche zu allen Zeiten  aus dem Drehmoment unter dem erforderlichen Win  kel abgeleitet wird, und besonders wenn die Wellen  ausgerichtet oder unter einem kleinen Winkel ge  neigt sind.

   Ferner kann durch die Verwendung von       Kugelbahnnuten    mit der beschriebenen Ausbildung  der     Querschnittsfläche    die Berührungsfläche der Kugel  mit ihren     Laufbahnen    reguliert werden, und durch  passende Ausführung     kann,    der mittlere Druck in der       Kugelberührungsfläche    auf jeden gewünschten Wert  eingestellt werden. Während der Druckwinkel der  Kugeln und Laufbahnen geändert werden kann, wird  doch ein weiterer Vorteil durch Verwendung eines  Druckwinkels von ungefähr 45  dadurch erzielt, dass  die innere Kugellaufbahn innerhalb Grenzen selbst  zentrierend wird, so dass sich die Last gleichmässig auf  die Kugeln verteilt. Bei einer passenden Anordnung  sind sechs Kugeln vorgesehen.

   Es ist auch zu be  achten, dass das Verhältnis zwischen Rollen und Glei  ten der Kugeln durch die Wahl des Druckwinkels be  stimmt werden kann.



  Universal joint The invention relates to a torque-transmitting universal joint of the type with constant speed ratio, in which the torque is transmitted by several balls, which are placed in meridional grooves in an at least partially spherical inner part on a drive element and in a hollow, at least partially spherical outer part on the other drive element of the universal joint are arranged, and in which a cage is provided for holding the balls between said two parts.



  In the case of joints of the type mentioned above, it is essential that the points of contact between the balls and their raceways must under all circumstances lie in a plane which contains the junction of the universal joint and also bisects the angle between the axes of the drive elements. In previously known joints of the type mentioned, this requirement was met by means for controlling the position of the ball cage according to the variable angle of the axes of the drive elements. In a well-known joint construction, the necessary control is effected by a pin or a lever, which in one of the Drive elements is guided and has a spherical seat in the end of the other drive element,

   wherein said pin or the lever at a central point in its length has a spherical seat connection with a continuation of the ball cage in order to adjust the latter according to the angle between the drive elements. It was also proposed to create a joint of the type mentioned, in which the ball tracks are grooves with the same radius as the ball used, around the longitudinal curvatures of the inner and outer running grooves in each case concentrically to points arranged at a distance from one another lie on the axis of the PTO shaft.



  The aim of the present invention is to provide an improved joint of the type mentioned, in which the required setting of the level containing the balls is effected in a satisfactory manner, without it being necessary to provide control or steering devices for the ball cage .



  The universal joint according to the invention with a constant speed ratio, in which the torque is transmitted by several balls, which are arranged in meridional grooves in an at least partially spherical inner part on one drive element and in a hollow, at least partially spherical outer part on the other drive element of the universal joint, and at which has a cage for holding the balls between the two parts, is characterized by meridian grooves of such a cross-section,

   that they form limited contact surfaces with the balls lying in a path inward from the meridional groove edges in order to achieve a suitable pressure angle, the bottoms of the said grooves are out of contact with the ball or are completely absent and the formation of the grooves is such that the converging dividing tracks intersect and the groove flank contact lines of the inner and outer raceways, when the drive elements of the joint are aligned, converge at an angle that is more than twice as large as the friction angle for the balls and raceways,

    so that a force derived from the transmission torque for setting the balls in the neces sary position to the angle between the axes of the drive elements is created. In the accompanying drawing an example embodiment of the subject invention is shown.

   1 shows a longitudinal section of a universal joint according to the invention, FIG. 2 shows a cross section through the joint along line XX in FIG. 1, FIG. 3 shows a schematic end view of the inner and outer grooves with the balls located therein, the geometry the career ellipses, the matching and touching can be seen, Fig. 4, 5 and 6 geometric representations showing the way in which the centers are arranged, from which the cooperating border tracks of the inner and outer grooves are formed.



  In the Ausfüh shown in Figs. 1 and 2 approximately form of said universal joint, a rotational torque-transmitting joint of a type with a constant speed ratio is provided, which inner and outer raceway parts 1 and 2 has, which are formed on the shafts 3 and 4 or on the latter are appropriate. The inner part 2 has a partially spherical surface 5 and end surfaces 6 and 7 which are perpendicular to its shaft axis.

   The outer part 1 is hollow and has a partially spherical, inner surface 8 which is centered at the node 9; Fer ner this outer part contains meridian ball running grooves 10 and forms a whole with its shaft 3. The intersection 9 of the two shaft axes represents the center or junction of the joint. The running grooves 10 of the outer part preferably end at one end in clearances 11, which the grinding of the grooves facilitate and also support the insertion of the balls into the grooves.

   In an existing space between the spherical surfaces of the inner and outer parts of the joint 12, a cage 13 is arranged which has slots or openings for receiving and holding the torque-transmitting balls 14 on one side with the inner grooves 15 and on the other side with the outer running grooves 10 come into contact.

   The cage has partially spherical, outer and inner, concentric surfaces which co-operate with .einer annular surface 8 of partially spherical shape on the outer part 1 and a partially spherical upper surface 5 on the inner part 2, the spherical center of the cage being the center - or node 9 of the joint.



  The cross-sections of the meridional grooves are milled or ground slightly smaller than half of an ellipse, the common main axis of which is radial to the joint. This can be seen from Figure 3, where the outer raceway 10 and the inner raceway 15 for a better overview because of radially separated Darge provides. The common main axis is shown at 18, the center of the sphere being at 19. The smaller axis 20 for the inner groove 15 lies above the center point of the sphere, while the smaller axis 21 for the outer groove 10 is arranged below the corresponding center point.

   The evolution of the outer career ellipse is shown at 22, while the evolution of the inner career ellipse is shown at 23. A suitable pressure angle P1 (Fig. 4) for the balls is predetermined, and in the present example it is assumed that this angle is 45, but this pressure angle can be changed to suit particular circumstances.

   The expression pressure angle refers to the angle between the line going through the ball and raceways and a line that goes through the center of the ball and runs radially to the ball pitch circle when this circle is projected into the plane containing the node of the joint and also halves the angle between said axes. The main circular arcs of the ellipse are struck at the point of contact with the ball from the center points 24 and 25 (Fig. 3), which are on the pressure line extending under 45 at a point where the pressure line is tangent to the evolute of the ellipse.

   The radius of the arc (rco or rci) is larger than the radius
EMI0002.0035
   of the sphere by as much as the desired match should be. The design of these cross-sectional grooves is such that the main arcs are flanking raceways within which the ball contacts lie, while the smaller arcs of the ellipse are arranged on the bottoms of the running grooves and are out of contact with the balls. With certain constructions, the bottom parts of the grooves can also be omitted.

   The ratio of the correspondence between the radius of the track and the radius of the ball can expediently be 1.02, that is, at the point of contact the radius of the track is 1.02 times as large as the radius of the ball. In practice, this number can be changed in order to maintain the condition that the close contact surfaces of the balls do not come too close together or protrude beyond the edges of the running grooves.

    The balls and grooves are proportioned so that when the joint is subjected to torque, there is a small amount of play on the sides facing away from the ball contacts. The contact surfaces of the balls. on the flanks of the raceways take the form of a small ellipse 27, exaggerated in FIG. 3, under pressure, and the path of these contacts is always inward of the raceway edges, so that the pressure developed does not cause any displacement of the material at the groove edges.

   Instead of being elliptical, the raceways can also have other shapes and, for example, be circular arc-shaped or include parts that have a flat cross-section in order to see small, as described above, be arranged ball contact surfaces.

        To exert a controlling or directing force on the balls and the ball cage, which adjusts the balls precisely with respect to the angle between the shafts, when the latter are either directed or inclined at a small angle, it is necessary that the together The effective dividing paths of the inner and outer paths cross at an angle with the shafts aligned and the groove flank contact lines (or momentary tangents) converge, which angle is more than twice as large as the angle of friction of the balls and raceways. The angle of friction is determined based on experience and depends on the type of materials from which balls and raceways are made.

   For the purpose of this embodiment it is assumed that the angle of friction is 5 ", in which case the steering force required to align the balls is achieved when the angle of intersection of the partitions (or convergence) is 11" 28 '. To meet the above-mentioned conditions for the crossing of cooperating dividing paths, it is necessary to determine the respective center points of which the cooperating tracks of the inner and outer grooves are each formed, and this can be done graphically with reference to FIG , 5 and 6 can be explained in the following manner.

   After determining a suitable pressure angle of 45, for example, a cone 28 is drawn with the center 19 of the sphere as the apex of the same and with an apex angle twice the size of the pressure angle, the base <I> 29 </I> (ac) of the cone runs horizontally and has the center or node 9 of the joint in its center. The cone 28 is referred to below as a pressure angle cone. This cone is then projected in the direction of arrow E at the pressure angle, that is, at an angle of 45 "on a surface so that its base appears as an ellipse 30 which runs through the center of the sphere, the center of the Joint appears in the middle of the ellipse.

   In order to achieve the required control or steering of the balls, their points of contact with the inner and outer raceways must come to lie on the inclined straight lines 31 and 32, which extend through the center of the sphere, as can be seen from the projection diagram in FIG. Furthermore, the steering force acting on the ball and cage arrangement must always be greater than the load passing through the center of the ball, multiplied by the coefficient of friction.

   If the coefficient of friction is 5, as assumed above, then the angle 5144 'represents the angle a) which is half the required angle (angle of convergence) between the above-mentioned oblique lines that run through the two raceway points of contact of the ball which intersect the projected cone base circle 30 at the two points shown at ai and a ".

   To generate the raceways, it is then necessary to determine the polar coordinates of points ai and a "in the plane containing the base circle of the pressure angle cone and in a plane normal to it, which contains the center of the joint and the ball. A suitable method is available in determining an auxiliary angle, SZ, through which the geometric location of the dividing path must rotate around the base circle of the pressure angle cone, as follows:
EMI0003.0024
    The constant K denotes the ratio between the rolling circle radius and the ball diameter.

    If it is assumed that the pressure angle PA = 45; d = 1; K = 1.65 and approx. = 51144 ', this results in an auxiliary angle, SZ of 8 "7'. In this way, the lateral displacement of the tracks and thus the position of the two points ai and a" at the Base circle as shown in Fig. 4 can be determined; these points form the generating geometric locations of the inner and outer career paths to achieve the necessary career convergence.



       Referring to Fig. 5, a part of the base circle with the points a1 and a ″ lying thereon is shown at 30; from these points the circles of the dividing paths 33 and 34 of the inner and outer raceways are drawn, these dividing paths as shown The true angle of career convergence, which is 2 co, is indicated at 35 in FIG.



       Fig. 6 is a plan view of the contact angle cone of Figure 4 and shows a cage window 36 in which the ball is arranged. The diameter of the ball is indicated at 37 and the ball contact circle at 38. The inner raceway flank is designated with 33 and the outer raceway flank with 34.

   It should be noted that as a result of the raceway convergence, a drive torque given in the direction of the arrow T generates a component of the force T acting on the cage and thus inevitably steers the balls and the cage into the correct position, which is the position which the Angle between the shafts of the joint halved.



  From the foregoing it can be seen that the distance between the generating geometric Oer- tern a1 and a ″ and the center of the sphere is the same for all shaft angles, and that from these centers points through the center of the sphere struck circular arcs (39 and 40, Fig. 5) represent the dividing paths of the inner and outer raceways and intersect at the specific angle as described above The above numerical values are of course only given as examples and can be changed according to circumstances.

   The intersecting convergence angle 2 w of the converging web contact lines should not, however, be significantly larger than the angle which is necessary with aligned shafts to achieve the desired steering force on the balls and the cage.

       Experience leads to a limit value of 2.4 times the angle of friction, whereby the fact must be taken into account that the steering force also increases with an increase in the shaft angularity, and that with shaft inclinations that make an angle of less than P <B> 0 </ B> - exceed 1111, an additional steering force is theoretically no longer necessary.



  From FIG. 4 it can be seen that the contact points 31 <I> a </I> and 31 <I> b </I> of the balls with the inner and outer track grooves lie outside the plane 31 c by the distance sin co , which the
EMI0004.0014
   Contains intersection of the joint axes and that the angle enclosed by lines 31 and 32 is 31d 180 -2 c).



  The arrangement described shows a constant speed possessing, torque transmitting universal joint, in which the ball and cage cohesion is inevitably controlled or steered by a force which is derived from the torque below the required angle at all times, and especially when the shafts are aligned or inclined at a small angle.

   Furthermore, through the use of ball track grooves with the configuration of the cross-sectional area described, the contact area of the ball with its raceways can be regulated, and by suitable design, the mean pressure in the ball contact area can be set to any desired value. While the pressure angle of the balls and raceways can be changed, another benefit of using a pressure angle of approximately 45 degrees is that the inner ball raceway becomes self-centering within limits so that the load is evenly distributed across the balls. Six balls are provided in a suitable arrangement.

   It should also be noted that the relationship between rolling and sliding of the balls can be determined by choosing the pressure angle.


    

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Kreuzgelenk mit konstantem Geschwindigkeits verhältnis, bei welchem das Drehmoment durch meh rere Kugeln übertragen wird, die in Meridianlaufnuten in einem wenigstens teilweise kugelförmigen Innenteil am einen Antriebselement und in einem hohlen, wenigstens teilweise kugelförmigen Aussenteil am an dern Antriebselement des Kreuzgelenkes angeordnet sind, und bei welchem ein Käfig zum Festhalten der Kugeln zwischen den beiden Teilen vorgesehen ist, gekennzeichnet durch Meridianlaufnuten von solchem Querschnitt, PATENT CLAIM Universal joint with constant speed ratio, in which the torque is transmitted by several balls, which are arranged in meridional grooves in an at least partially spherical inner part on a drive element and in a hollow, at least partially spherical outer part on the other drive element of the universal joint, and at which a cage is provided to hold the balls between the two parts, characterized by meridional grooves of such a cross-section, dass sie beschränkte Berührungsflächen mit den in einer Bahn einwärts von den Meridianlauf- nutenrändern liegenden Kugeln bilden, um einen zweckmässigen Druckwinkel zu erzielen, wobei die Böden der genannten Nuten ausser Berührung mit der Kugel sind oder gänzlich fehlen und die Ausbildung der Nuten so ist, dass die zusammenlaufenden Tei lungsbahnen sich kreuzen und die Nutenflankenberüh- rungslinien der innern und äussern Laufbahnen, wenn die Antriebselemente des Gelenkes ausgerichtet sind, unter einem Winkel konvergieren, der mehr als zwei mal so gross als der Reibungswinkel für die Kugeln und Laufbahnen ist, that they form limited contact surfaces with the balls lying in a path inwardly from the meridional running groove edges in order to achieve a suitable pressure angle, the bottoms of the grooves mentioned being out of contact with the ball or being completely absent and the formation of the grooves is such that the converging dividing tracks cross and the groove flank contact lines of the inner and outer raceways, when the drive elements of the joint are aligned, converge at an angle that is more than twice as large as the angle of friction for the balls and raceways, damit eine aus dem übertra- gungsdrehmoment abgeleitete Kraft zum Einstellen der Kugeln in die erforderliche Lage zu dem Winkel zwischen den Achsen der Antriebselemente entsteht. UNTERANSPRÜCHE 1. Kreuzgelenk nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammenwirkenden Lauf bahnen der innern und äussern Nuten jeweils von zwei Mittelpunkten aus gebildet sind, welche symmetrisch in gleichen Abständen von dem Mittelpunkt des Ge lenkes angeordnet und so verschoben sind, dass die Be rührungslinien der Kugeln mit den zusammenlaufen den Laufbahnen an der projizierten Oberfläche eines Kegels liegen, dessen Scheitelwinkel zweimal so gross wie der gewählte Druckwinkel ist, so that a force derived from the transmission torque for setting the balls in the required position relative to the angle between the axes of the drive elements is created. SUBClaims 1. Universal joint according to claim, characterized in that the cooperating tracks of the inner and outer grooves are each formed from two centers, which are symmetrically arranged at equal distances from the center of the joint and shifted so that the lines of contact Balls with the converging raceways lie on the projected surface of a cone whose apex angle is twice as large as the selected pressure angle, und die geometri schen Oerter der Laufbahnen auf dem Basiskreis des genannten Kegels liegen. 2. Kreuzgelenk nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Laufnuten so ist, dass die beiden zusammenlaufenden Laufbahnberüh rungslinien unter einem grösseren Winkel als 11 kon vergieren, wenn die Achsen der Antriebselemente aus gerichtet sind. 3. Kreuzgelenk nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Querschnittsform der Laufnuten so ist, dass die durch die Laufbahnen und die Kugeln laufende Berührungslinie, beim Einpassen einer kor rekte Grösse besitzenden Kugel in die zusammenwir kenden Laufbahnen, einen Druckwinkel von 45 mit der Normalen bildet. 4. and the geometric locations of the raceways are on the base circle of said cone. 2. Universal joint according to claim, characterized in that the shape of the running grooves is such that the two converging Laufbahnberüh approximately lines at an angle greater than 11 kon verieren when the axes of the drive elements are directed from. 3. Universal joint according to claim, characterized in that the cross-sectional shape of the running grooves is such that the line of contact running through the raceways and the balls, when fitting a correct size ball into the cooperating raceways, has a pressure angle of 45 with the normal forms. 4th Kreuzgelenk nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen kreisbogenför migen Querschnitt aufweisen, wobei der Radius ihrer Krümmung grösser als der Kugelradius ist. 5. Kreuzgelenk nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Laufbahnen Teile einer Ellipse sind, wobei die Hauptachse dieser Ellipse radial zum Gelenk angeordnet ist. 6. Kreuzgelenk nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Übereinstimmungsverhältnis zwischen dem Radius der Laufbahnquerschnitte und dem Radius der Kugeln die Grössenordnung 1,02 be sitzt. Universal joint according to patent claim, characterized in that the raceways have a circular arc-shaped cross section, the radius of their curvature being greater than the spherical radius. 5. Universal joint according to dependent claim 4, characterized in that the cross-sections of the raceways are parts of an ellipse, the main axis of this ellipse being arranged radially to the joint. 6. Universal joint according to claim, characterized in that the correspondence ratio between the radius of the raceway cross-sections and the radius of the balls sits on the order of magnitude 1.02 be.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1221857B (en) * 1963-08-01 1966-07-28 Citroen Sa Synchronous joint coupling
EP2489894A1 (en) * 2011-02-18 2012-08-22 Neapco Europe GmbH Synchronise fixed ball joint with elliptical track

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