DE10158545A1

DE10158545A1 - Längsverschiebeeinheit mit hohlem Profilzapfen

Info

Publication number: DE10158545A1
Application number: DE10158545A
Authority: DE
Inventors: Peter Schwaerzler; Herbert Cermak; Arne Berger
Original assignee: GKN Loebro GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: US20030100378A1; FR2832775B1; JP2003172372A; FR2832775A1; DE10158545B4; US6918838B2

Abstract

Längsverschiebeeinheit 11 zur Drehmomentübertragung für eine Wellenanordnung, bestehend aus einer außenliegenden Profilhülse 21 mit umfangsverteilt innenliegenden längsverlaufenden ersten Kugelrillen 22 zur Verbindung mit einem ersten Anschlußteil, einem darin einliegenden Profilzapfen 31 mit umfangsverteilt außenliegenden längsverlaufenden zweiten Kugelrillen 32 zur Verbindung mit einem zweiten Anschlußteil, Gruppen von Kugeln 41, die in Paaren von ersten und zweiten Kugelrillen 22, 32 angeordnet sind, und einem hülsenförmigen Kugelkäfig 42, der im Ringraum zwischen Profilhülse 21 und Profilzapfen 31 liegt und die Gruppen von Kugeln 41 in ihrer Lage relativ zueinander fixiert, wobei der Profilzapfen 31 ein Hohlzapfen aus Material von im wesentlichen gleicher Wandstärke mit einer maximalen Abweichung von +-15% besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Längsverschiebeeinheit zur Drehmomentübertragung für eine Wellenanordnung, bestehend aus
einer außenliegenden Profilhülse mit umfangsverteilt innenliegenden längsverlaufenden ersten Kugelrillen zur Verbindung mit einem ersten Anschlußteil,
einem darin einliegenden Profilzapfen mit umfangsverteilt außenliegenden längsverlaufenden zweiten Kugelrillen zur Verbindung mit einem zweiten Anschlußteil,
Gruppen von Kugeln, die in Paaren von ersten und zweiten Kugelrillen angeordnet sind, und
einem hülsenförmigen Kugelkäfig, der im Ringraum zwischen Profilhülse und Profilzapfen liegt und die Gruppen von Kugeln in ihrer Lage relativ zueinander fixiert.
Derartige Axialverschiebeeinheiten dienen der Drehmomentübertragung in Wellensträngen, die während des Betriebes Längenänderungen erfahren, insbesondere beispielsweise in einem Kraftfahrzeug durch Ein- und Ausfederbewegungen eines der Anschlußteile. Soweit hier von Wellenanordnung gesprochen wird, ist es auch möglich, daß die Längsverschiebeeinheit diese weitgehend selber bildet und unmittelbar mit Anschlußstücken, wie angeschweißten Flanschen oder aufgesteckten Naben, verbunden 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 Teilen ausführen und die Längenänderung der Längsverschiebeeinheit somit reibungsarm ermöglichen. An den Enden des Verschiebewegs sind in der Profilhülse oder auf dem Profilzapfen Axialanschläge für den Kugelkäfig oder die Kugeln vorzusehen. Im Normalbetrieb sollte der Kugelkäfig dabei möglichst die Axialanschläge 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 Wellen, 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. Im Betrieb tritt an ihnen das Problem auf, daß bei der Drehmomentübertragung notwendigerweise eine Torsion der ineinandergreifenden Abschnitte der Profilhülse und des Profilzapfens im Bereich der Kugelrillen stattfindet.
Aufgrund dieser Torsionsbewegungen der Profilhülse und des Profilzapfens bei der Drehmomentübertragung kann es zu ungleichen Belastungsverhältnissen an den Kugeln in verschiedenen Querschnittsebenen kommen. Dies beeinträchtigt die Leichtgängigkeit und kann zu vorzeitigen Ausfällen führen. Um dies zu vermeiden, ist eine besonders große Steifheit der beiden Teile wünschenswert.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Längsverschiebeeinheit der genannten Art bereitzustellen, die hohe Festigkeit mit leichter Bauweise vereint.
Die Lösung hierfür besteht darin, daß der Profilzapfen als Hohlzapfen hergestellt ist. Hiermit wird eine äußerste Gewichts- und Materialersparnis am Profilzapfen möglich, die bisher in dieser Form nicht üblich war. Speziell ist vorgesehen, daß der Profilzapfen aus Material von im wesentlichen gleicher Wandstärke, insbesondere mit einer maximalen Abweichung von ±15% besteht. Die Gewichtsreduzierung vermindert die Gefahr des Ausknickens von leicht hauenden schnellaufenden Hohlwellen. Vorzugsweise wird der Profilzapfen im Anschluß an die zweiten Kugelrillen zum zweiten Anschlußteil hin einstückig in einen Zylinderabschnitt übergehen, der im Außendurchmesser im wesentlichen mit einem einhüllenden Kreis um die zweiten Profilrillen übereinstimmt.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß auch die Profilhülse aus Material von im wesentlichen gleicher Wandstärke mit einer maximalen Abweichung von + 15% besteht und im Anschluß an die ersten Kugelrillen zum ersten Anschlußteil hin einstückig in einen ersten Zylinderansatz übergeht und im Anschluß an die ersten Kugelrillen zum zweiten Anschlußteil hin einstückig in einen zweiten Zylinderansatz übergeht. Die beiden genannten Zylinderansätze führen zur Verbesserung der Formsteifigkeit der Profilhülse. Sie sind bei Herstellung der Profilhülse durch Umformung aus einem Rohrkörper besonders einfach herstellbar. Der erste anschlußseitige Zylinderansatz erlaubt die Verbindung mit einem anschließenden Wellenrohr auf einfache Art, sei es durch stumpfes Ansetzen oder durch Einstecken oder Aufschieben. Der zweite einsteckseitige Zylinderansatz, der zum Anschlußteil des Profilzapfens hin weist, kann als Abdichtung und Anschlag für die im Käfig gehaltenen Kugeln dienen. Sofern der zweite Zylinderansatz mit gegenüber dem Kugelrillenquerschnitt vergrößertem Durchmesser ausgeführt ist, bietet er die Möglichkeit, Dichtungs- und Anschlagmittel im Preßsitz aufzunehmen.
Nach einer bevorzugten Ausführung ist der erste Zylinderansatz im Innendurchmesser größer als ein einhüllender Kreis um die funktionsgerecht im Käfig gehaltenen Kugeln. Dies ermöglicht das Einschieben des Kugelkäfigs mit den Kugeln von der Anschlußseite her. In den ersten Zylinderansatz können dann gegebenenfalls Anschlagmittel für den Käfig eingesetzt werden, damit der Käfig sich nicht innerhalb der Profilhülse vom Profilzapfen löst.
In bevorzugter Ausführung erhält die Profilhülse im Bereich der ersten Kugelrillen eine Armierung aus einem Metall großer Verschleißfestigkeit, die für sich betrachtet ebenfalls gleiche Wandstärke hat.
Sowohl Profilzapfen als auch Profilhülse lassen sich durch Umformung aus einem Rohr herstellen, wobei die mit der Armierung versehene Profilhülse aus einem Rohr mit im Preßsitz eingeschobener Armierungshülse erzeugt werden kann. Eine radiale Materialvorspannung zwischen Profilhülse und Armierungshülse erhöht hierbei die Festigkeit. Analog kann auch der Profilzapfen im Bereich der Kugelrillen mit einer Armierung versehen sein. Diese kann aus einer auf ein Rohr aufgeschobenen Armierungshülse erzeugt werden, die gemeinsam mit dem Rohr zum Profilzapfen umgeformt wird.
Fig. 1 zeigt ein Axialverschiebeeinheit gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführung im Längsschnitt;
Fig. 2 zeigt eine Axialverschiebeeinheit gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführung im Längsschnitt;
Fig. 3 eine Profilhülse einer Einheit nach Fig. 1 als Einzelheit im Längsschnitt;
Fig. 4 zeigt die Profilhülse nach Fig. 3 im Querschnitt;
Fig. 5 zeigt eine Profilhülse ähnlich Fig. 3 in abgewandelter Ausführung als Einzelheit im Längsschnitt;
Fig. 6 zeigt die Profilhülse nach Fig. 5 im Querschnitt;
Fig. 7 zeigt den Profilzapfen der Einheiten nach den Fig. 1 und 2 als Einzelheit im Längsschnitt;
Fig. 8 zeigt den Profilzapfen nach Fig. 7 im Querschnitt.
Die Fig. 1 und 2 werden nachstehend gemeinsam beschrieben. Es ist jeweils eine erfindungsgemäße Axialverschiebeeinheit 11 im Längsschnitt gezeigt, die eine Profilhülse 21, einen Profilzapfen 31, Gruppen von drehmomentübertragenden Kugeln 41 sowie einen hülsenförmigen Kugelkäfig 42 umfaßt. Die Profilhülse 21 ist rechts mit einem ersten Anschlußteil, insbesondere einer Rohrwelle, verbindbar. Der Profilzapfen 31 ist links mit einem zweiten Anschlußteil, insbesondere einem aufgeschobenen Gelenkbauteil, verbindbar. Die aus Material von im wesentlichen gleicher Wandstärke bestehende Profilhülse bildet auf ihrer Innenseite erste längsverlaufende Kugelrillen 22 aus. Auf Seiten des ersten Anschlußteils ist die Profilhülse 21 zu einem ersten Zylinderansatz 23 erweitert, dessen Innendurchmesser größer ist als ein einhüllender Kreis um die Kugel 41 in ihrer bestimmungsgemäßen funktionsgerechten vom Käfig 42 gehaltenen Position. Der Kugelkäfig mit den Kugeln kann also von rechts durch den ersten Zylinderansatz 23 hindurch in den Bereich der ersten Kugelrillen 22 eingeschoben werden. Der Zylinderansatz 23 eignet sich zum stumpfen Anschweißen einer anschließenden Rohrwelle oder gegebenenfalls auch zum Einstecken einer Welle, die an den Ausläufen 24 der Kugelrillen anschlagen kann. In Richtung zum zweiten Anschlußstück hin weist die Profilhülse einen zweiten Zylinderansatz 25 auf, der im Innendurchmesser gegenüber dem Bereich der Kugelrillen 22 reduziert ist. Dieser Ansatz erhöht die Formsteifigkeit der Profilhülse 21 am freien Ende. Es sei hier angemerkt, daß er auch in gleicher Weise wie der erste Zylinderansatz 23 gegenüber dem Rillenabschnitt vergrößert sein könnte. Damit wäre die Möglichkeit der erleichterten Aufnahme von Dichtungsmitteln gegenüber dem Profilzapfen 31 gegeben. Der Profilzapfen 31 besteht ebenfalls aus Material von im wesentlichen gleichbleibender Wandstärke und bildet auf seiner Außenseite zweite Kugelrillen 32. Der Profilzapfen 31 geht am Ende des Kugelrillenbereiches in einen Zylinderabschnitt 33 über, dessen Außendurchmesser mit einem einhüllenden Kreis um die zweiten Kugelrillen 32 übereinstimmt. Daran schließt sich ein Abschnitt 34 größerer Wandstärke mit einer Profilverzahnung 35 und einer Sicherungsnut 36 an, dessen Außendurchmesser den des Zylinderabschnitts 33 nicht überschreitet. Auf diese Weise kann der Profilzapfen 31 aus beiden Richtungen in die Profilhülse 21 eingesteckt werden. Am freien Ende des Kugelrillenbereiches ist der Querschnitt des Profilzapfens 31 gleichbleibend. Die Angabe, daß Profilhülse und Profilzapfen aus Material von im wesentlichen gleicher Wandstärke bestehen, betrifft in erster Linie die Längsabschnitte der ersten Kugelrillen 22 und zweiten Kugelrillen 32. Näherungsweise gilt dies jedoch auch noch für die Zylinderansätze 23, 25 und den Zylinderabschnitt 33, nicht jedoch für den Abschnitt 34 am Profilzapfen.
Ein geringer Unterschied zwischen den beiden Ausführungen der Fig. 1 und 2 besteht darin, daß aufgrund unterschiedlicher Durchmesser des zweiten Zylinderansatzes 25 in der ersten Ausführung nach Fig. 1 der Kugelkäfig 42 am Übergang zum zweiten Zylinderansatz 25 anschlagen wird, während in der zweiten Ausführung nach Fig. 2 die ersten Kugeln 41 an den Kugelrillenausläufen 26 am Übergang zum zweiten Zylinderansatz 25 anschlagen werden.
In Fig. 3 ist die Profilhülse 21 nach Fig. 1 als Einzelheit dargestellt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die Beschreibung wird insoweit vollständig verwiesen.
In Fig. 4 ist die Profilhülse nach Fig. 3 im Querschnitt gezeigt. Es wird eine im wesentlichen kreisrohrförmige Grundform mit daraus ausgeformten Kugelrillen 22 deutlich. Diese Querschnittsform kann insbesondere durch Umformung aus einem ursprünglich runden Rohr gleicher Wandstärke erzeugt werden, wobei das Umformen durch längsgerichtetes Ziehen über einem Dorn oder durch umlaufendes Hämmern über einem Kern erzeugt werden kann. Die endgültige Wandstärke, jeweils gemessen senkrecht zu einer Tangente in jedem Oberflächenpunkt im Querschnitt (innen oder außen), soll im Bereich von ±15% bezogen auf einen mittleren Wert schwanken dürfen.
Fig. 5 zeigt eine Profilhülse 21' in geringfügig abgewandelter Ausführungsform, die weitgehend mit der in Fig. 3 gezeigten übereinstimmt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die Beschreibung der Fig. 1 wird wiederum Bezug genommen. Im Bereich der ersten Kugelrillen 22 ist eine Armierung 27 erkennbar, die zur Bildung von verschleißfesten Laufrillen dient. Die Armierung ist bevorzugt aus einer vor einem Umformprozeß in ein Kreisrohr eingeschobenen Hülse entstanden, die im Preßsitz eingepaßt war und gemeinsam mit dem Kreisrohr einem der vorstehend beschriebenen Umformprozesse unterzogen ist.
In Fig. 6 ist die Profilhülse 21' im Querschnitt erkennbar, wobei die Armierung 27 von im wesentlichen ebenfalls gleichmäßiger Dicke erkennbar wird. Die Gesamtdicke jeweils wieder senkrecht zu Tangenten in jedem Oberflächenpunkt im Querschnitt (außen oder innen) gemessen, soll auch hier im Bereich von ±15% um einen mittleren Wert variieren dürfen.
In Fig. 7 ist der Profilzapfen 31 der Einheit nach den Fig. 1 und 2 als Einzelheit dargestellt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die Beschreibung der Fig. 1 und 2 wird verwiesen.
In Fig. 8 ist der Profilzapfen nach Fig. 7 im Querschnitt gezeigt. Es wird auch hier eine Grundform nach Art eines Kreisrohres deutlich, in der die einzelnen Kugelrillen 32 eingeformt sind. Auch hier ist die bevorzugte Herstellart ein Umformen eines Kreisrohres im Wege des Ziehens oder des Rundhämmerns. Die im Zusammenhang mit der Profilhülse beschriebene Wandstärkengleichheit soll auch hier im Bereich von ±15% um einen Mittelwert schwanken dürfen, jeweils senkrecht zum Wandverlauf gemessen, wie zuvor beschrieben.

Claims

1. Längsverschiebeeinheit (11) zur Drehmomentübertragung für eine Wellenanordnung, bestehend aus
einer außenliegenden Profilhülse (21) mit umfangsverteilt innenliegenden längsverlaufenden ersten Kugelrillen (22) zur Verbindung mit einem ersten Anschlußteil,
einem darin einliegenden Profilzapfen (31) mit umfangsverteilt außenliegenden längsverlaufenden zweiten Kugelrillen (32) zur Verbindung mit einem zweiten Anschlußteil,
Gruppen von Kugeln (41), die in Paaren von ersten und zweiten Kugelrillen (22, 32) angeordnet sind, und
einem hülsenförmigen Kugelkäfig (42), der im Ringraum zwischen Profilhülse (21) und Profilzapfen (31) liegt und die Gruppen von Kugeln (41) in ihrer Lage relativ zueinander fixiert,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Profilzapfen (31) ein Hohlzapfen ist.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilzapfen aus Material von im wesentlichen gleicher Wandstärke, insbesondere mit einer maximalen Abweichung von ±15% besteht.

3. Einheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilzapfen (31) im Anschluß an die zweiten Kugelrillen (32) zum zweiten Anschlußteil hin einstückig in einen Zylinderabschnitt (33) übergeht.

4. Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderabschnitt (33) im Außendurchmesser etwa gleich groß ist wie ein einhüllender Kreis um den Profilzapfenquerschnitt.

5. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Profilzapfen (31), gegebenenfalls auch die Profilhülse (21), aus zweilagigem Material mit einer Armierung (27) großer Verschleißfestigkeit für die Kugelrillen (22, 32) besteht.

6. Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilhülse (21) aus Material von im wesentlichen gleicher Wandstärke mit einer maximalen Abweichung von ±15% besteht und im Anschluß an die ersten Kugelrillen (22) zum ersten Anschlußteil hin einstückig in einen ersten Zylinderansatz (23) übergeht und im Anschluß an die ersten Kugelrillen (22) zum zweiten Anschlußteil hin einstückig in einen zweiten Zylinderansatz (25) übergeht.

7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zylinderansatz (23) im Innendurchmesser größer ist als ein einhüllender Kreis um die funktionsgerecht im Käfig (42) gehaltenen Kugeln (41).

8. Einheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zylinderansatz (25) im Innendurchmesser kleiner ist als ein einhüllender Kreis um die funktionsgerecht im Käfig (42) gehaltenen Kugeln (41).

9. Einheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zylinderansatz (25) nur unwesentlich größer ist als ein einhüllender Kreis um den Profilzapfenquerschnitt.