DE10132658C1

DE10132658C1 - Längsverschiebeeinheit

Info

Publication number: DE10132658C1
Application number: DE10132658A
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich Welschof
Original assignee: GKN Loebro GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2003028185A; US20050049052A1; US6793583B2; US20030008717A1

Abstract

Längsverschiebeeinheit für eine Wellenanordnung zur Drehmomentübertragung, bestehend aus einer Profilhülse 11 mit umfangsverteilten längsverlaufenden ersten Kugelrillen 12, einem Profilzapfen 21 mit umfangsverteilten längsverlaufenden zweiten Kugelrillen 22, Kugeln 31, 32, 33, die in Paaren von ersten und zweiten Kugelrillen 11, 21 jeweils gruppenweise angeordnet sind, und einem Kugelkäfig 41, der zwischen Profilhülse 11 und Profilzapfen 21 liegt und die Kugeln in ihrer Lage relativ zueinander axial fixiert, wobei Profilhülse 11 und Profilzapfen 21 gleiche torsionale Steifigkeit im Bereich der Kugelrillen 12, 22 aufweisen, d. h. bei Drehmomenteinleitung gleichen Torsionswinkeln unterliegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Längsverschiebeeinheit für eine Wellenanordnung zur Drehmomentübertragung, bestehend aus einer Profilhülse mit umfangsverteilten längsverlaufenden ersten Ku gelrillen, einem Profilzapfen mit umfangsverteilten längsver laufenden zweiten Kugelrillen, Kugeln, die in Paaren von er sten und zweiten Kugelrillen jeweils gruppenweise angeordnet sind, und einem Kugelkäfig, der zwischen Profilhülse und Pro filzapfen liegt und die Kugeln in ihrer Lage relativ zueinan der axial fixiert.

Aus der DE 199 52 245 A1 ist eine Längsverschiebeeinheit oder Teleskopwelle der genannten Art bekannt. Hierbei sollen Härte verzüge durch die Gestaltung der Laufrillen vermieden werden, indem die Zahl der ersten Kugelrillen einem mehrfachen der Zahl der zweiten Kugelrillen entspricht und der überzählige Teil der ersten Kugelrillen von Kugeln freibleibt.

Aus der EP 0 189 011 A ist eine andere Längsverschiebeeinheit der genannten Art zur Drehmomentübertragung bekannt. Hierbei soll eine Spielfreiheit im Drehsinn dadurch erreicht werden, daß zumindest eine Kugel oder Rolle Übermaß gegenüber den Ril len hat und aus elastischem Material besteht, so daß sie unter Vorspannung eingebaut ist.

Bei einer Relativverschiebung von Profilhülse zu Profilzapfen unter Drehmoment rollen die Kugeln in den inneren und äußeren Kugelrillen im wesentlichen gleitreibungsfrei ab, so daß sie und damit der Kugelkäfig mit allen Kugeln insgesamt jeweils den halben relativen Verschiebeweg zwischen den beiden Elemen ten ausführen und die Längenänderung der Längsverschiebeein heit somit reibungsarm ermöglichen. An den Enden des Verschie bewegs sind in der Profilhülse oder auf dem Profilzapfen Axi alanschläge für den Kugelkäfig oder die Kugeln vorgesehen. Im Normalbetrieb sollte der Kugelkäfig dabei möglichst die Axial anschläge nicht erreichen, sondern im konstruktiv vorgesehen Verschiebeweg frei verschiebbar sein, so daß eine Gleitreibung der Kugeln in den Rillen vermieden wird.

Anordnungen dieser Art kommen in drehmomentübertragenden Wel len, insbesondere Gelenkwellen, zum Einsatz, die zum Ausgleich von Toleranzen des Abstandes zwischen den Anschlußteilen bei der Montage und/oder zum Ausgleich von Abstandsänderungen der Anschlußteile, insbesondere der Gelenke, während des Betriebes einen reibungsarmen Längenausgleich benötigen. Solche Längs verschiebeeinheiten sind in ihrem prinzipiellen Aufbau be kannt. Im Betrieb tritt an ihnen die Problematik zutage, daß bei der bestimmungsgemäßen Drehmomentübertragung notwendiger weise eine Torsion der ineinandergreifenden Abschnitte der Profilhülse und des Profilzapfens im Bereich der Kugelrillen stattfindet, die zur Folge hat, daß innerhalb der Gruppen die in Längsrichtung an den Enden liegenden Kugeln der Einheiten infolge der dort auftretenden größten Differenzen der genann ten Torsion am stärksten belastet sind. Die Folge sind Schäden (Pittings) die an diesen an den Enden liegenden Kugeln als er stes auftreten und Ausgangspunkt für das Versagen der gesamten Einheit sind.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Längsverschiebeeinheiten der genannten Art bereitzustellen, die sich durch besseres Laufzeitverhalten (höhere Lebensdauer) auszeichnen.

Eine erste Lösung besteht darin, daß Profilhülse und Profil zapfen gleiche torsionale Steifigkeit im Bereich der Kugelril len aufweisen, d. h. bei Drehmomenteinleitung gleichen Torsi onswinkeln unterliegen. Hierbei wird insbesondere vorgeschla gen, daß Profilhülse und Profilzapfen im Bereich der Kugelril len bei untereinander gleichem Gleitmodul des Werkstoffes, d. h. in der Regel Werkstoffgleichheit, gleiches polares Träg heitsmoment aufweisen. Diese Lösung ist ein erster Ansatz, bei Drehmomentbelastung die von der Mitte betrachtet in Längsrich tung zunehmenden Winkelfehler zwischen Torsion der Profilhülse und damit der äußeren Kugelrillen und Torsion des Profilzap fens und damit der inneren Kugelrillen zu reduzieren, damit die Kugeln unter Drehmoment möglichst gleichmäßig belastet werden.

Eine zweite Lösung besteht darin, daß innerhalb der Gruppen von Kugeln die Größe der Kugeln in Längsrichtung variiert, wo bei die in Längsrichtung mittleren Kugeln einen größten Durch messer und die an den Enden liegenden Kugeln einen kleinsten Durchmesser haben. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, daß die Größe der Kugeln von Kugel zu Kugel von der Mitte nach au ßen linear abnimmt. Es ist jedoch auch eine Gruppe von unter einander gleich großen mittleren Kugeln denkbar, an die sich beidseitig kleinere Kugeln anschließen. Die Größe der Kugeln ist vorzugsweise so bemessen, daß in drehmomentfreiem Zustand der Längsverschiebeeinheit nur die genannten mittleren Kugeln zwischen Profilhülse und Profilzapfen radial vorgespannt sind. Mit diesem Ansatz wird davon ausgegangen, daß bei einer Torsi onsbelastung die Profilhülse und der Profilzapfen, jeweils von ihrem freien Ende aus, an dem sich eine Drehmomenteinleitung über die Kugeln noch wenig auswirkt, zu den angeschlossenen Enden hin eine zunehmende Torsion stattfindet, so daß die Tor sionsfehler zwischen den beiden Teilen jeweils an ihrem das Drehmoment einleitenden angeschlossenen Ende am größten ist. Um ungeachtet dessen eine gleichmäßige Kugelbelastung sicher zustellen, wird erfindungsgemäß die Kugelgröße von der Mitte ausgehend zu den jeweiligen Enden reduziert. Bei dem im Last kollektiv am häufigsten vorkommenden Drehmoment soll dabei ei ne gleichmäßige Anlage, d. h. gleichmäßige Kugelkräfte an al len Kugeln, eingestellt sein.

Beiden Lösungsansätzen liegen theoretische Ansätze zugrunde, die nur modellhaft sind. Insoweit ist es besonders vorteil haft, beide Lösungen in Kombination auszuführen.

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.

Fig. 1 zeigt einer erfindungsgemäße Längsverschiebeeinheit zur Drehmomentübertragung in einer ersten Ausführung im Längsschnitt;

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Längsverschiebeeinheit in einer zweiten Ausführung in Kombination mit einem Gleichlaufgelenk im Längsschnitt.

In Fig. 1 ist die Einheit mit einer Profilhülse 11 konstanten Querschnitts erkennbar, an den sich axial ein Konusbereich 13, ein Rohrbereich 14, ein zweiter Konusbereich 15, ein Rohrbe reich 16, ein Konusbereich 17 sowie eine Verzahnungshülse 18 anschließt. In die Profilhülse 11 ist ein Profilzapfen 21 kon stanten Querschnitts eingesteckt, der aus einem Vollzapfen ausgebildet ist und an den sich ein Zylinderzapfen 23 und ein Verzahnungszapfen 24 anschließt. Die Profilhülse 11 hat äußere erste Kugelrillen 12. In übereinstimmenden Umfangspositionen mit den äußeren Kugelrillen 12 hat der Profilzapfen 21 innere zweite Kugelrillen 22. Die Zahl der äußeren Kugelrillen 12 kann jedoch gegenüber der Zahl der inneren Kugelrillen 22 ein Mehrfaches betragen. Jeweils einander zugeordnete Kugelrillen tragen Sätze von Kugeln 31, 32, 33, die von einem hülsenförmi gen Kugelkäfig 41 verliersicher in gleicher Axialanordnung gehalten werden. In die Profilhülse 11 ist ein hülsenförmiger Anschlagkörper 42 eingeschoben, der formschlüssig in die Pro filrillen eingreift und somit eine Abdichtung zur Rohrseite nach rechts bildet und zugleich einen Axialanschlag gegen das weitere Einschieben des Profilzapfens 21 in die Profilhülse 11 bildet. Ebenso stellt er einen Axialanschlag für den Kugelkä fig 41 dar. Ein weiterer Axialanschlag für die Kugeln gegen das Ausziehen des Kugelkäfigs 41 aus der Profilhülse 11 wird durch einen in eine Ringnut 43 in der Profilhülse eingesetzten Sicherungsring 44 gebildet.

In Fig. 2 ist die Einheit mit einer Profilhülse 11 konstanten Querschnitts erkennbar, an den sich axial ein Konusbereich 13 und ein Rohrbereich 14 anschließt. In die Profilhülse 11 ist ein Profilzapfen 21 konstanten Querschnitts eingesteckt, der aus einem Hohlzapfen ausgebildet ist und an den sich ein Ver zahnungszapfen 24 anschließt. Die Profilhülse 11 hat äußere erste Kugelrillen 12. In übereinstimmenden Umfangspositionen mit den äußeren Kugelrillen 12 hat der Profilzapfen 21 innere zweite Kugelrillen 22. Die Zahl der äußeren Kugelrillen 12 kann jedoch gegenüber der Zahl der inneren Kugelrillen 22 ein Mehrfaches betragen. Jeweils einander zugeordnete Kugelrillen tragen Sätze von Kugeln 31, 32, 33, die von einem hülsenförmi gen Kugelkäfig 41 verliersicher in gleicher Axialanordnung gehalten werden. In die Profilhülse ist ein hülsenförmiger An schlagkörper 42 eingeschoben, der eine Abdichtung zur Rohrsei te nach rechts bildet und zugleich einen Axialanschlag gegen das weitere Einschieben des Profilzapfens 21 in die Profilhül se 11 bildet. Ein erster Axialanschlag für den Kugelkäfig 41 wird durch einen in eine Ringnut 45 auf dem Profilzapfen 21 eingesetzten Sicherungsring 46 gebildet. Ein weiterer Axialan schlag für die Kugeln wird durch einen in eine Ringnut 43 in der Profilhülse eingesetzten Sicherungsring 44 gebildet. Auf dem Verzahnungszapfen 24 sitzt ein Gleichlaufgelenk 51 mit seinem Gelenkinnenteil 53 auf. Das Gelenkaußenteil 52 des Gleichlaufgelenks 51 trägt eine Hülse 54, die einen Rollbalg 61 einspannt. Das andere Ende des Rollbalgs 61 sitzt auf einer Hülse 19, die auf der Profilhülse 11 aufsitzt und ist dort mit einem Spannband 20 festgelegt. In den Verzahnungszapfen 24 ist ein Stopfen 25 zur Einschließung der Fettfüllung der Einheit eingesetzt.

In beiden Zeichnungsvarianten ist nach einer ersten Verwirkli chungsform der Erfindung vorgesehen, daß Profilhülse 11 und Profilzapfen 21 im Bereich der Kugelrillen 12, 22 gleiche tor sionale Steifigkeit haben, d. h. bei Drehmomenteinleitung gleichen Torsionswinkeln unterworfen werden. Nach einer zwei ten Verwirklichungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die mittleren Kugeln 31 gegenüber den weiter zu den Enden liegen den Kugeln 32, 33 größeren Durchmesser aufweisen, wobei kon stanter Kugelrillenquerschnitt angenommen wird. Bei Torsion der Längsverschiebeanordnung werden höhere Kräfte auf die au ßenliegenden Kugeln 32, 33 damit erst nach einer beginnenden Torsion der Profilhülse 11 und des Profilzapfens 21 aufgebaut, so daß die Kugeln im erwarteten mittleren Drehmomentbereich untereinander gleichmäßig mit Hertzscher Pressung belastet sind.

Claims

1. Längsverschiebeeinheit für eine Wellenanordnung zur Dreh momentübertragung, bestehend aus einer Profilhülse (11) mit umfangsverteilten längsverlaufenden ersten Kugelrillen (12), einem Profilzapfen (21) mit umfangsverteilten längs verlaufenden zweiten Kugelrillen (22), Kugeln (31, 32, 33), die in Paaren von ersten und zweiten Kugelrillen (11, 21) jeweils gruppenweise angeordnet sind, und einem Kugel käfig (41), der zwischen Profilhülse (11) und Profilzapfen (21) liegt und die Kugeln in ihrer Lage relativ zueinander axial fixiert, dadurch gekennzeichnet, daß Profilhülse (11) und Profilzapfen (21) gleiche torsio nale Steifigkeit im Bereich der Kugelrillen (12, 22) auf weisen, d. h. bei Drehmomenteinleitung gleichen Torsions winkeln unterliegen.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Profilhülse (11) und Profilzapfen (21) im Bereich der Kugelrillen (12, 22) bei untereinander gleichem Gleitmodul des Werkstoffes gleiches polares Trägheitsmoment aufwei sen.

3. Längsverschiebeeinheit für eine Wellenanordnung zur Dreh momentübertragung, bestehend aus einer Profilhülse (11) mit umfangsverteilten längsverlaufenden ersten Kugelrillen (12), einem Profilzapfen (21) mit umfangsverteilten längs verlaufenden zweiten Kugelrillen (22), Kugeln (31, 32, 33), die in Paaren von ersten und zweiten Kugelrillen (11, 21) jeweils gruppenweise angeordnet sind, und einem Kugel käfig (41), der zwischen Profilhülse (11) und Profilzapfen (21) liegt und die Kugeln in ihrer Lage relativ zueinander axial fixiert, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Gruppen von Kugeln (31, 32, 33) die Grö ße der Kugeln in Längsrichtung variiert, wobei die in Längsrichtung mittleren Kugeln (31) einen größten Durch messer und die an den Enden liegenden Kugeln (33) einen kleinsten Durchmesser haben.

4. Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Kugeln von Kugel zu Kugel von der Mitte nach außen linear abnimmt.

5. Längsverschiebeeinheit nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in drehmomentfreiem Zustand nur die in Längsrichtung mittleren Kugeln (31) radial vorgespannt sind.

6. Längsverschiebeeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem aus der Profilhülse (11) herausragenden Ende des Profilzapfens (21) ein Gleichlaufkugelgelenk (51) an geordnet ist und daß ein Falten- oder Rollbalg (61) auf dem Außenteil (52) des Gleichlaufgelenks (51) einerseits und der Profilhülse (11) andererseits festgelegt ist.

7. Längsverschiebeeinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Profilhülse (11) und Profilzapfen (21) gleiche torsio nale Steifigkeit im Bereich der Kugelrillen (12, 22) auf weisen, d. h. bei Drehmomenteinleitung gleichen Torsions winkeln unterliegen.

8. Längsverschiebeeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Profilhülse (11) und Profilzapfen (21) im Bereich der Kugelrillen (12, 22) bei untereinander gleichem Gleitmodul des Werkstoffes gleiches polares Trägheitsmoment aufwei sen.