CN1860308A - 等速刚性万向节、万向轴和制造等速刚性万向节的方法 - Google Patents

等速刚性万向节、万向轴和制造等速刚性万向节的方法 Download PDF

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Abstract

一种具有十字球体滚道的等速刚性万向节(1)包括：具有相互成对对应配置的十字球体滚道(4、6)的一个万向节外件(3)和一个万向节内件(5)、安置在球体滚道对(4、6)中的球体(7)和一个球笼(8)，其被固定在两个万向节件(3、5)之一上并具有容纳球体(7)的窗口(8a)。球笼(8)在一个方向上通过万向节件(3、5)上球笼导引表面(9)的一个部分(9b)轴向限定而在相反的方向上通过在分立的设置于万向节件(3、5)上的封闭元件(11)的限位结构(12)限定。最好是，球笼导引表面(9)在一个轴向方向上无侧凹。由此使具有十字球体滚道的等速刚性万向节获得特别紧凑和轻便的结构方案，因为其装配可以在轴向上实现。另外，提供一种具有这种等速刚性万向节的万向轴以及一种制造这种等速刚性万向节的方法。

Description

等速刚性万向节、万向轴 和制造等速刚性万向节的方法
本发明涉及一种具有十字球体滚道的等速刚性万向节，其包括一个万向节外件和一个具有相互成对对应配置的十字球体滚道的万向节内件，安置在球体滚道对中的球体和一个固定在两个万向节件之一上的并具有接纳球体的窗口的球笼。
另外本发明涉及一种具有这种等速刚性万向节的万向轴以及最后涉及一种制造这种等速刚性万向节的方法。
具有十字球体滚道的等速万向节是在现有技术中已经公知很长时间了。对此在汽车中具有十字滚道的等速万向节用在万向轴中一般是作为在传动装置侧的滑动接头。在发动机后置的汽车中它们也可以应用在传动万向轴的车轮侧上。
通过将球笼轴向固定安置在万向节外件上或万向节内件上就形成刚性万向节，其按照实施方式可以应用于最高约25度的偏转角。其中一般是球笼在一个球笼导引面上导向，其在球笼轴向固定安置的同时确保该万向节的回转运动性。这种形式的万向节例如已在DE19956672C1、DE4228230A1和US6497622A中公开了。
然而这种关节的装配是很费事的。通常需要将球笼在球体之前进行安装。然后使万向节内件和球笼相对于万向节外件过度偏转，也就是说使之大于最大运行偏转角地偏转，以便使球体装入到球笼的窗口中。
特别在单侧封闭的、钟罩形万向节外件情况下通过这种装配方案就产生相对大的并因此也更加困难的结构配置，因为对于装配时进一步向里偏转的球笼以及向万向节底部运行的球体来说必须设置足够的空间位置。相应长度设置的球体滚道则要求高昂的加工耗费。
这种装配方案的另一缺陷在于其糟糕的自动调节性。
基于这种技术背景，本发明的任务是，对开头所述类型的等速刚性万向节的制造进行改进。
这一任务通过一种具有权利要求1的特征的等速刚性万向节来解决。这种等速刚性万向节包括具有相互成对对应配置的十字球体滚道的万向节外件和万向节内件、安置在球体滚道对中的球体，和一个球笼，它被固定在两个万向节件的一个上并具有用于接纳球体的窗口。该万向节的突出优势在于：球笼在一个方向上通过万向节件上一个球笼导引面的一部分轴向固定而在相反的方向上通过在一个独立设置于万向节件上的封闭元件上的一个限位结构固定。
通过将用于球笼的滑行表面分配到两个分立的构件上就可实现简便的轴向装配，其中省去了将万向节内件向里偏转以及通过万向节的过度偏转来安装球体的工作。
更确切地说是在装配时可以如此实现，首先将一个由一万向节件、球笼和多个球体组成的预先装配的单元通过一种纯粹的轴向运动与另一个万向节件相组装，然后该封闭元件被固定在后提到的万向节件上，这个封闭元件则在组装状态中将球笼在轴向上固定。
由此球体滚道就不必设置得比最大运行偏转角所必需的滚道长度还要长了，因此加工费用下降了。同时相关的万向节件也可以构造为较小的轴向结构长度。由此又获得更低的结构件重量。
此外较短的结构长度还能在一种具有两个万向节的万向轴中实现更大的万向节中点间的间距。由此使在两个万向节上的万向节偏转角较小并且因此又改进了使用寿命，实现了较高的效率以及一个在给定情况下更大可能的转向角。
按照本发明的一种优选的结构方案，一个万向节件的内部型廓除了球体滚道外是无侧凹的。这个内部型廓或球笼导引表面的一部分用于球笼在第一轴向方向上的滑行表面，同时封闭元件在该球笼导引表面的无侧凹的端部区域中构成另外一个用于轴向上限定该球笼的滑行表面。原理上说该等速刚性万向节直至通过封闭元件用于限定该球笼符合于一种滑动接头。由此可能的是，将VL-万向节的构件应用于本发明等速刚性万向节并且因此保持较少的结构件种类。
最好是，无侧凹的内部型廓具有球面形的滑行表面，其应用于，将球笼在一个方向上轴向限定。但是也可以设置另外的非球面形的表面形状用于球笼的轴向限定。另外球笼的数量级最大约1mm的轴向间隙也是容许的。
而且在连接元件上的这个滑行表面，其用于在相反的方向上支承球笼并可以构造为球面形的。在组装状态下按照轴向间隙在连接元件和万向节件的球笼导引表面上该滑行表面的中心点是大致或也可精确重合的。球笼相应地以一个对应的球面形表面在滑行表面上导引，以便确保万向节的回转运动性。
原理上可以想到，要么在万向节外件上或者在万向节内件上设置一个相应的结构配置。对此例如具有一第一部分和邻接的滑行表面的无侧凹的球笼导引表面可以构成在万向节外件的内壁上。但同样可以使球笼在万向节内件上可回转地运行并在轴向上限定位置。
按照本发明一种优选的结构方案，万向节外件是单侧封闭的钟形件，其中球体导引表面的第一部分安置在敞口的侧端上并在朝万向节底部的方向上邻接于滑行表面。在这种结构方案中由于上述的装配方案使得结构长度的减小特别明显。
封闭元件最好是在轴向上将球笼装入或推上之后固定在万向节件上，在这种情况下封闭元件可以是盖件，其固定在万向节外件上，更确切地说在那个与滑动面相对的侧面上。因此，在装配时球笼如此远地推入，直至这个球笼靠置在万向节外件球体导引表面的例如球面形的滑行表面上。此后球笼通过盖件轴向固定。其中限位结构上的球形表面可以在通过盖件上这个第一部分的断开以后继续连接于万向节外件的球面形滑行表面的球面形状，只要是该球笼导引表面基本上构造为无间隙的话。
此外盖件具有一个用于波纹管的连接部分。
盖件最好固定在万向节外件的外圆周壁上。这种固定最好是以形状配合的方式实现，但是，另外的固定技术也是可能的。
由于它简单的结构形状，盖件可以是成本特别低廉的板成型件。
通过盖件中一个环形的凹槽就可以在大的偏转角度时保持万向节的短的结构长度，该凹槽在最大的万向节偏转时部分地容纳球体。
按照另一种优选的结构方案，万向节外件的钟形件具有一个轴肩，其用于插入到一个轮毂中。因此特别在将这种等速刚性万向节应用到一个后桥半轴的车轮侧上时可以实现非常方便和成本低廉的万向节。
为了避免球笼对着封闭元件的滑行增强，可以在本发明的另一种优选结构方案中使通过球体滚道限定的节圆直径(PCD)在朝与封闭元件或盖件相反的侧端方向去构造是逐渐增大的。因此在这种情况下万向节内件具有这样的趋势，更强地对着万向节外件中这些优选硬化处理的支承面滑行。由此可避免封闭元件或盖件过早磨损以及不希望的自动松动。
此外在一种优选的结构方案中，在万向节外件和/或万向节内件上的球体滚道在与封闭元件或盖件相反的侧端方向上是以锥形收尾的。
另外的方案在于，通过在万向节外件和/或在万向节内件上稍微不同的滚道倾斜角使球笼向中间位置上自动对中并因此实现盖件的卸载。
按照另一种优选的结构方案，封闭元件或盖件至少在限位结构的区域中可以进行一种减小磨损的工艺处理。特别是，封闭元件可以总体地或有选择地在限位结构的区域中作硬化处理或渗氮处理。此外可以在封闭元件的限位结构的区域中应用一个由耐磨材料制成的环件。
封闭元件或盖件的卸载还可以通过装配以后球笼的轴向限定来实现。为此按照本发明另一种优选的结构方案，球笼通过在万向节外件或万向节内件的面对封闭元件或盖件的侧端上通过至少一个隆起进行轴向限定。其中该至少一个隆起可以是万向节外件或万向节内件的在球笼装配后形成的部分，或者也可是一个设置在万向节外件或万向节内件上的附加限定元件。
本发明等速刚性万向节适用于万向轴，特别是汽车的半轴。如前面所述，这种万向节优选布置在半轴的车轮侧，但同时不应因此排除在传动装置侧的应用。
下面借助附图中描述的实施例详细解释本发明。附图表明：
图1是一种本发明等速刚性万向节的剖视图，其作为后桥半轴车轮侧的万向节，处于未偏转位置上；
图2是本发明等速刚性万向节的另一个剖视图；和
图3是一个对应于图1在偏转位置上的剖视图。
该实施例表明了一个具有十字球体滚道的等速刚性万向节1，其在此例如是一个半轴的车轮侧万向节，特别是汽车后桥半轴2的车轮侧万向节。在改进的实施方案中在传动装置侧的应用也是可能的。但是，这个下面详细介绍的等速刚性万向节1也可以与万向轴无关地应用于其他的目的。
按照本实施例的等速刚性万向节1包括一个万向节外件3，其在内圆周表面上设有多个球体滚道4。在万向节外件3中容纳一个万向节内件5，它在外圆周侧面上同样设有多个球体滚道6。在万向节外件3及万向节内件5上的球体滚道4和6构成球体滚道对，它们分别容纳一种球体7，以便在径向上将两个万向节件3和5相互支承。其中不仅万向节外件3的球体滚道4而且万向节内件5的球体滚道6都是分别相对结构件中轴线A可回转的。相对中轴线A的调整角至少对于对应的球体滚道或者也可对于所有的球体滚道4或6就其数值而言是相同大的，但是关于符号却对于万向节外件3和万向节内件5是不同的，因此滚道对的滚道4和6始终是交叉的。
在万向节外件3和万向节内件5之间安置一个球笼8，它可回转地支承在两个万向节件之一上，在此处是万向节外件3上并同时在轴向上是固定的。其中在万向节中可以实现最大25度的偏转角。球笼8具有多个窗口8a以容纳球体7，因此这些球体在万向节偏转时总是保持在一个共同的平面中亦即半角平面中。
球笼8的回转运动性通过在万向节外件3内圆周上的球笼导引表面9来保证。在传统的等速刚性万向节中球笼导引表面如此设置，使球笼通过这些球笼导引表面在两个方向上轴向固定。但是这会导致球笼的装配很费事，因为这个球笼必须在翻转的位置上插入到万向节外件中。在此处描述的实施例中这个问题被回避了，因为该球笼导引表面9在沿结构件中轴线A的方向上是无侧凹的。
因此这个在它外圆周10上球面形弯曲的球笼8可以在轴向上插入到万向节外件3中。其中球笼8外圆周10首先通过一个无侧凹的第一部分9a导入，直至它碰到滑行表面9b上。这个滑行表面可以是球面形的弯曲结构。然而该弯曲直径最好与球笼8的直径大致对应。其中无侧凹的第一部分9a相切地过渡到该滑行表面9b中。代替一种弯曲结构也可以设置另外无侧凹的表面结构，只要不影响球笼的回转运动性即可。
但是以此方式球笼8仅仅可以在一个方向上轴向固定。在相反方向上的轴向固定由一个单独的封闭元件11承担，其在球笼8安装完成之后固定在万向节外件3上。因此在组装状态中球笼8在一个方向上通过万向节外件3上的球笼导引表面9的一个部分9b轴向限定并在相反的方向上通过在这个分立的设置于万向节外件3上的封闭元件11上的一个限位结构12限定。
而且在连接元件11上的限位结构12可以是球面形的滑行表面。在所述万向节1的组装状态中在连接元件11上和万向节外件3上的球面形表面的中点是重合的。球笼8是以一个同样球面的外圆周10或以它外圆周上球面的部分在这个万向节外件上可回转运动地运行的。如果在限位结构12和球笼8之间的接触表面很小的话，则在限位结构12上球面形的结构造型就不是强制性必要的了。将这个限位结构配置在一个假设的围绕该球形表面9b的中心的球表面上，以便在确保回转运动性的同时实现球笼8的必要的轴向固定就已经足够了。
在所述实施例的一个变型方案中设置一个微小的轴向间隙，它最大为1mm。在这种情况下就产生并非必要的球面形滑行表面9b和12的转动中心微小的错位。
这种前面介绍的能实现万向节外件3特别微小的轴向结构长度的结构方案特别适合于封闭的万向节外件3，因为在这种情况下此处介绍的轴向装配方案对结构长度缩短具有显著的效果。这样的万向节外件3在图1-3中示出。但是本发明结构方案也理所当然地可以应用在盘形的、轴向两侧敞开的万向节外件的情况中，它们因此可以更有利地制造，因为内部型廓也可以为此终锻制成。而且装配也因此更简化。
如果万向节外件3构成一个单侧封闭的钟形件，则球体导引表面9的无侧凹的部分9a安置在敞开的侧端上。球面形的部分9b连接在朝万向节底部13的方向上。在万向节底部13相对置的侧端上可以在万向节外件3上设置一个轴肩17，其可以插入一个轮毂中。由此特别是对于后桥半轴而言就可以实现非常轻便的和成本低廉的车轮侧万向节。
封闭元件11最好是盖件，其同时用于一个未详细示出的波纹管的连接。图1和2仅仅表明了所属的连接部分14。
封闭元件11或盖件固定在万向节外件3的相应的侧端上的，无侧凹的部分9a就结束在该侧端处。最好是将盖件固定在万向节外件3的外圆周壁上。在此处所示的实施例中一个位于环形凸缘16上的隆起15卡入到一个在万向节外件3上构成的槽中，从而形状配合地使盖件轴向上固定。但是理所当然也可以用其他的固定方案。
此外盖件作为板成型件可以非常简单和成本低廉地制造。通过一个在盖件上设置的环形凹槽18，球体7在最大的万向节偏转时也被节省空间地接纳。
为了避免由于球笼8的滑移导致封闭元件11或盖件的过度磨损，下面详细解释的措施可以单个地应用或者也可以相互组合一起地应用。作为这些措施的基础的构思是，要么提高相关结构元件的耐磨性，或者是应避免万向节内结构件朝盖件方向上的运动。特别是在后提到的情况下通过使盖件卸载以避免在不利运行状态例如在通过一个坑洼行驶时使其爆裂。
通过节圆直径(PCD)的一种可改变的结构造型就可以实现球笼8相对于球笼导引表面9的处在万向节外件3上的滑行表面9b有利的滑行。通过使滑行表面9b的一种硬化处理就可在那里防止过快的磨损。
此外球体滚道4或6如此结构设置，使该节圆直径(PCD)在从封闭元件11或盖件离开的方向上是增加的。这个例如可以通过在万向节外件3上和/或在万向节内件4上球体滚道4或6朝与盖件相对的侧端的方向上以锥形的收尾实现。因此球笼8在运行中具有从盖件运动离开的趋势，因此这个盖件被卸载了。
一种类似的效果可以通过在万向节外件3和万向节内件4上有微小差别的滚道倾斜角来实现。在这种情况下当万向节偏转时就不存在滚道轴线精确的相交点。由于此原因，球体只有在万向节件变形时有停留位置。与此相关的变形功越大的话，则万向节从中间位置移位地就越远。此外还使得万向节具有自动对中功能，因为在运行中在中间位置上产生最小的变形功。由此在封闭元件11或盖件上避免了轴向力增大。
为了进一步防止磨损可以使封闭元件11或盖件至少在限位结构12的区域中进行硬化处理、渗氮处理或其他的减小磨损的工艺处理。此外可以在限位结构12的区域内应用一个由耐磨材料制成的环件，例如嵌置、粘接、夹紧在盖件中等。
最后还可能的方案是，装配以后将球笼8在轴向上固定安置，以便阻止万向节的自动松动。为此在万向节外件3或万向节内件4的指向封闭元件11或盖件的侧端上设置至少一个保险隆起。这个隆起例如是万向节外件3或万向节内件4的在球笼装配以后形成的部分。为此例如在万向节装配之后在万向节外件3中的球笼导引滚道可以在朝敞口侧端的方向上部分塑性变形，例如挤压变形。同样地万向节内件4可以通过挤压或类似措施扩张，使它相对球笼8不再可以轴向运动。
同样可以想到的是附加的保险元件，它们在装配后置入到万向节中并在那里防止球笼8和万向节外件3或球笼8及万向节内件4之间的轴向运动。
图4示出了另一种方案，以防止万向节内件朝封闭元件11或盖件方向上移动。为此在导引表面9的无侧凹的部分9a上构造一个环隆起19，其内直径稍小于球笼8的外直径。在万向节装配时球笼8经过环隆起19压入到万向节外件3中，其中球笼8和万向节外件3仅仅是短时间地弹性变形。其中环隆起19如此定位，使这个隆起在规定的安装位置上刚好不接触球笼8。但是当球笼8开始朝封闭元件11的方向上移动时，这种移动通过移动到隆起19处而被限定。此外通过环隆起19还可以避免万向节过度偏转。
总之由此实现一种具有十字滚道的等速刚性万向节1，其可以很简便地装配。主要是装配可以很好地实现自动化。在这种情况下首先将万向节内件5、球笼8和球体7组装为一个单元。然后这个单元通过纯粹的轴向移动与万向节外件3相组装。接着，封闭元件11或盖件固定在万向节外件3上，以便使球笼8轴向固定安置。球笼8或万向节内件5相对万向节外件3的偏转则因此不必要了。而且用于球体7的安装而将该关节过度偏转也省去了。
由此获得了一种具有十字滚道的等速刚性万向节的特别紧凑和轻便的结构方案。这一优点特别在所谓的整体式结构方案中显示出作用，其中万向节外件在一个侧端上封闭。
附图标记
1—等速刚性万向节，2—万向轴，3—万向节外件，4—球体滚道，5—万向节内件，6—球体滚道，7—球体，8—球笼，8a—窗口，9—球笼导引表面，9a—球笼导引表面9的第一无侧凹的部分，9b—球笼导引表面9的滑行表面，10—球笼8的球面形的外周表面，11—封闭元件(盖)，12—封闭元件11的限位结构或滑行表面，13—万向节底部，14—连接部分，15—隆起，16—凸缘，17—轴肩，18—环形的凹槽，19—环隆起，A—结构件中轴线。

Claims (28)

1.具有十字球体滚道的等速刚性万向节，包括：
-具有相互成对对应配置的十字球体滚道(4、6)的一个万向节外件(3)和一个万向节内件(5)；
-球体(7)，其安置在球体滚道对(4、6)中和
-一个球笼(8)，其被固定在两个万向节件(3、5)之一上并且具有用于容纳球体(7)的窗口(8a)，其特征在于：
球笼(8)在一个方向上通过万向节件(3、5)上的球笼导引表面(9)的一部分(9b)轴向固定并在相反的方向上通过在一个分立的、于万向节件(3、5)上设置的封闭元件(11)上一个限位结构(12)固定。
2.按权利要求1的等速刚性万向节，其特征在于：
所述万向节件(3、5)中的一个具有一个带有无侧凹球笼导引表面(9)的内型廓并且封闭元件(11)和球笼导引表面(9)构成相对置的滑行表面(9b、12)以在轴向上限定该球笼(8)。
3.按权利要求1或2的等速刚性万向节，其特征在于：
所述封闭元件(11)在轴向上将球笼(8)推入或推上以后固定在万向节件(3、5)上。
4.按权利要求2或3的等速刚性万向节，其特征在于：
所述球笼导引表面(9)的滑行表面(9b)构造为球面形以用于轴向支承该球笼(8)并紧邻第一无侧凹的部分(9a)上。
5.按权利要求4的等速刚性万向节，其特征在于：
所述滑行表面(12)在连接元件(11)上构造为球面形的。
6.按权利要求5的等速刚性万向节，其特征在于：
在组装状态中在连接元件(11)上及万向节件(3)的球体导引表面(9)上，球面形的表面的中心相重合，并且球笼(8)以一个对应球面形的表面(10)在这些球面形的表面(9b、12)上导引。
7.按权利要求4、5或6的等速刚性万向节，其特征在于：
具有无侧凹的第一部分(9a)和邻接的滑行表面(9b)的球体导引表面(9)设置在万向节外件(3)的内壁上。
8.按权利要求6的等速刚性万向节，其特征在于：
所述万向节外件(3)是单侧封闭的钟形件，其中球体导引表面(9)的无侧凹的第一部分(9a)安置在敞开的侧端上并且在朝封闭的关节底部(13)的方向上邻接于滑行表面(9b)。
9.按权利要求2-8之一的等速刚性万向节，其特征在于：
所述封闭元件(11)是盖件，其被固定在万向节外件(3)的与它的滑行表面(9b)相对置的侧端上。
10.按权利要求9的等速刚性万向节，其特征在于：
所述盖件具有一个用于波纹管的连接部分(14)。
11.按权利要求9或10的等速刚性万向节，其特征在于：
所述盖件固定在万向节外件(3)的外圆周壁上。
12.按权利要求9-11之一的等速刚性万向节，其特征在于：
所述盖件是板成型件。
13.按权利要求9-12之一的等速刚性万向节，其特征在于：
所述盖件具有一个环绕的凹槽(18)，其在最大的关节偏转时部分容纳球体(7)。
14.按权利要求8-13之一的等速刚性万向节，其特征在于：
所述万向节外件(3)的钟形件具有一个轴肩(17)，其用于插入到一个轮毂中。
15.按权利要求1-14之一的等速刚性万向节，其特征在于：
所述万向节外件(3)的内型廓除了球体滚道(4)外终锻制成。
16.按权利要求1-15之一的等速刚性万向节，其特征在于：
所述通过球体滚道(4、6)限定的节圆直径(PCD)向着与封闭元件(11)或盖件相对置的侧端的方向是增大的。
17.按权利要求1-16之一的等速刚性万向节，其特征在于：
在万向节外件(3)上和/或在万向节内件(4)上球体滚道(4、6)向着与封闭元件(11)或盖件相对置的侧端方向上是锥形收尾的。
18.按权利要求1-17之一的等速刚性万向节，其特征在于：
在万向节外件(3)上和在万向节内件(4)上球体滚道(4、6)具有稍微不同的滚道倾斜角。
19.按权利要求1-18之一的等速刚性万向节，其特征在于：
所述封闭元件(11)或盖件至少在限位结构(12)的区域中进行硬化处理，渗氮处理或其他减小磨损的工艺处理。
20.按权利要求1-19之一的等速刚性万向节，其特征在于：
在封闭元件(11)或盖件上限位结构(12)的区域中应用一个由耐磨材料制成的环件。
21.按权利要求1-20之一的等速刚性万向节，其特征在于：
所述球笼(8)通过在万向节外件(3)或万向节内件(4)的面对封闭元件(11)或盖件的侧端上的至少一个隆起轴向限定。
22.按权利要求21的等速刚性万向节，其特征在于：
所述至少一个隆起是万向节外件(3)或万向节内件(4)上一个在球笼装配之后形成的部分。
23.按权利要求21的等速刚性万向节，其特征在于：
所述至少一个隆起是一个设置在万向节外件(3)或万向节内件(4)上的保险元件。
24.按权利要求1-20之一的等速刚性万向节，其特征在于：
在万向节外件(3)上，球笼(8)在万向节外件(3)上的支承区域和封闭元件(11)之间设置一个环突起，它的内直径稍小于球笼(8)的外直径。
25.万向轴、特别是汽车的半轴，具有一个按照前述权利要求之一所述的等速刚性万向节(1)。
26.按权利要求24的万向轴，其特征在于：
该等速刚性万向节(1)安置在车轮一侧。
27.按权利要求24或25的万向轴，其特征在于：
所述万向轴是后桥半轴。
28.用于制造具有十字球体滚道的等速刚性万向节、特别是权利要求1-24之一所述的等速刚性万向节(1)的方法，其中将由一个万向节件(5、3)、一个球笼(8)和多个球体(7)组成的一个预先装配的单元通过纯粹的轴向运动与另外一个万向节件(3、5)组装一起，然后，将一个封闭元件(11)固定在后提到的万向节件(3、5)上，该封闭元件(11)在组装状态中将球笼(8)在轴向上限位安置。
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