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Die
Erfindung betrifft eine nachgiebige Kupplung zum gegenseitigen Verbinden
zweier Drehkörper
mit gegeneinander geneigten Achsen, mit
- – einer
elastischen Gelenkscheibe, die zwischen den Drehkörpern anzuordnen
ist,
- – Buchsen,
die in regelmäßigen Abständen rings um
eine zentrale Achse, parallel zu ihr, in die Gelenkscheibe eingebettet
sind, und
- – Anschlusskörpern, die
von je einer der Buchsen umschlossen und ihr gegenüber begrenzt
beweglich sind und einander abwechselnd an je einem der Drehkörper zu
befestigen sind.
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Eine
solche nachgiebige Kupplung ist beispielsweise aus
DE 195 31 201 A1 bekannt.
Dabei handelt es sich um ein schwingungsdämpfendes torsionselastisches
Wellengelenk, das insbesondere für den
Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen vorgesehen ist. Die in die elastische
Gelenkscheibe eingebetteten Buchsen sind außen und innen zylindrisch,
und jede von ihnen umschließt
mit radialem Abstand eine ebenfalls zylindrische Buchse geringeren
Durchmessers, die als Anschlusskörper
vorgesehen ist. Der Zwischenraum zwischen jeder der unmittelbar
in die Gelenkscheibe eingebetteten äußeren Buchsen und der von ihr
umschlossenen inneren Buchse ist mit Gummi ausgefüllt, gegen
dessen elastischen Widerstand die inneren Buchsen begrenzte Translationsbewegungen
in Umfangsrichtung sowie Kippbewegungen gegenüber den sie umschließenden äußeren Buchsen
ausführen
können.
Diese Relativbeweglichkeit der inneren Buchsen trägt zur Schwingungsentkopplung
zwischen den durch die Gelenkscheibe miteinander verbundenen Drehkörpern bei
und ermöglicht
es, geringe Achsfluchtungsfehler zwischen diesen Drehkörpern auszugleichen.
Dabei dürfen
die Achsen der Drehkörper
allerdings nur um einen kleinen Winkel in der Größenordnung von etwa 1 bis 3 Grad
gegeneinander geneigt sein. Größere Neigungswinkel,
wie sie beispielsweise in Lenkungsantrieben von Kraftfahrzeugen
vorkommen, sind mit bekannten nachgiebigen Kupplungen der eingangs
genannten Gattung alleine nicht erreichbar; solche Kupplungen müssen deshalb
mit zusätzlichen
Gelenken, meist Kreuzzapfengelenken, kombiniert werden, damit sich
insgesamt der erforderliche Beugungswinkel ergibt. Dabei wirkt die
Kombination einer gattungsgemäßen nach giebigen
Kupplung mit einem Kreuzzapfengelenk oder dergleichen allerdings
als Doppelgelenk, sodass es im Allgemeinen erforderlich ist, mindestens
einen der beiden betroffenen Drehkörper in einem zusätzlichen
ortsfesten Lager gegen Ausknicken zu sichern.
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Aus
JP 04157211 A ist
eine Kupplung zum gegenseitigen Verbinden zweier Wellenabschnitte
eines Lenkwellenstrangs bekannt, bei der in einer zwischen den Wellenabschnitten
anzuordnenden Gelenkscheibe aus hartem Polyamid rings um deren Achse
in gleichmäßigen Abständen voneinander
vier hohlkugelförmige
Durchgangslöcher
ausgebildet sind. In jedem dieser Durchgangslöcher ist ein entsprechend konvexkugelförmiger mittlerer
Bereich eines Anschlusskörpers
in einer Gleitschicht gelagert. Jeder der Anschlusskörper hat
beiderseits seines kugelförmigen
Bereichs je einen zylindrischen Ansatz, wobei einer dieser Ansätze deutlich
länger
ist als der andere. Jeder der Anschlusskörper hat ferner ein zylindrisches
Durchgangsloch für
ein Befestigungselement. Von den insgesamt vier kugelgelenkig in
der Polyamidscheibe gelagerten Anschlusskörpern werden zwei einander
diametral gegenüberliegende
an einem Joch eines der beiden miteinander zu verbindenden Wellenabschnitte,
und die beiden übrigen Anschlusskörper an
einem Joch des anderen Wellenabschnitts befestigt. Durch die kugelgelenkige
Lagerung der Anschlusskörper
soll die Drehmomentübertragung
zwischen den Wellenabschnitten auch dann verbessert werden, wenn
diese gegeneinander geneigt sind.
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Aus
DE 38 06 151 C1 ist
eine Gelenkkupplung bekannt, die dazu bestimmt ist, zwei mit je
einer Stirnplatte versehene Schaltstangen eines Schaltgestänges zum
Schalten eines Lastwagengetriebes miteinander zu verbinden. Zur
Gelenkkupplung gehört
eine zwischen den beiden Stirnplatten angeordnete Scheibe aus gummielastischem
Werkstoff. Rings um die gemeinsame Achse der beiden Stirnplatten
sind Spannbolzen alternierend durch die eine und die andere Stirnplatte
hindurch gesteckt. Zwischen jeder der beiden Stirnplatten und der
Scheibe ist eine Zwischenplatte angeordnet, die sich an der Scheibe
abstützt
und alternierend rings um die Achse Durchgangslöcher und Befestigungslöcher aufweist. Jeder
der Spannbolzen erstreckt sich, ausgehend von der Stirnplatte, durch
die er hindurch gesteckt ist, mit Radialspiel durch ein Durchgangsloch
der benachbarten Zwischenplatte und ist in einem Befestigungsloch
der anderen Zwischenplatte befestigt. Alle Axialkräfte, die
von der Gelenkkupplung übertragen werden,
beanspruchen die elastische Scheibe auf Druck, unabhängig davon,
ob diese Axialkräfte
zueinander hin oder voneinander weg gerichtet sind. Das Übermaß der Durchgangslöcher gegenüber dem
Außendurchmesser
der Spannbolzen lässt
geringfügige
Achsfluchtungsfehler zwischen den beiden Schaltstangen zu.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nachgiebige Kupplung
zu schaffen, die als solche imstande ist, Drehbewegungen zwischen
gegeneinander geneigten Drehkörpern
sicher, genau und im Wesentlichen verlustfrei auch dann zu übertragen, wenn
die Achsen der Drehkörper
um einen Winkel im zweistelligen Bereich, vorzugsweise von mehr
als 15 Grad, gegeneinander geneigt sind.
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß ausgehend
von einer nachgiebigen Kupplung der eingangs beschriebenen Gattung
dadurch gelöst,
dass
- – die
Buchsen mit dem zugehörigen
Anschlusskörper
je ein Kugelgelenk bilden,
- – die
Gelenkscheibe zwei Paar solche, einander diametral gegenüberliegende,
Kugelgelenke enthält,
und
- – die
beiden Buchsen jedes Paars Kugelgelenke miteinander durch eine steife
Traverse verbunden sind.
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Die
Erfindung begrenzt die Bereiche, in denen sich die Gelenkscheibe
beim Drehen der durch sie miteinander verbundenen Drehkörper verformt. Infolgedessen
sind die Drehwinkel der beiden Drehkörper strenger miteinander korreliert,
als dies bei Verwendung bekannter nachgiebiger Kupplungen bisher
der Fall war. Daher wird die elastische Gelenkscheibe bei gegebener
Größe der zu übertragenden Drehmomente
und des Neigungswinkels zwischen den Achsen der miteinander gekuppelten
Drehkörper geringeren
Walkbelastungen ausgesetzt, sodass die Hystereseverluste bei für Lenkvorgänge typischem Hin-
und Herdrehen der Drehkörper
gering gehalten werden und die elastische Gelenkscheibe eine dementsprechend
höhere
Lebensdauer hat als bisher. Die erfindungsgemäße Kupplung benötigt keinen größeren Bauraum
als eine vergleichbare bekannte gattungsgemäße Kupplung als solche; auch
eine gesonderte Zentrierung ist nicht erforderlich. Der bisher nötige Kosten-
und Platzaufwand für
ein Kreuzzapfengelenk und eine Zentrierung lässt sich also vermeiden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in schematischen
Zeichnungen dargestellten Ausführungs-
und Einbaubeispiels erläutert.
In den Zeichnungen ist
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1 eine
Stirnansicht einer in Richtung des Pfeils I in 2 betrachteten
erfindungsgemäßen Kupplung,
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2 der
Schnitt II-II in 1,
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3 ein
Abschnitt eines Lenkantriebs mit der in 1 und 2 dargestellten
Kupplung, dargestellt als Ansicht in Richtung des Pfeils III in 4, und
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4 die
teilweise als Schnitt in der Ebene IV-IV in 3 dargestellte
Seitenansicht.
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Die
in 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Kupplung 10 weist
eine elastische Gelenkscheibe 12 aus Gummi auf und ist
in Bezug auf zwei zueinander orthogonale Achsen A und B spiegelsymmetrisch
sowie in Bezug auf eine zentrale Achse C axialsymmetrisch gestaltet.
Die Gelenkscheibe 12 ist kreisförmig und hat zwei zueinander parallele
Stirnseiten 14. In die Gelenkscheibe 12 sind in
gleichen Abständen
von der zentralen Achse C und voneinander vier Buchsen 16 eingebettet,
vorzugsweise einvulkanisiert. Jede der Buchsen 16 umschließt einen
Anschlusskörper 18 und
bildet zusammen mit diesem ein praktisch reibungs- und hysteresefreies
Kugelgelenk 20. Zu diesem Zweck ist jede der Buchsen 16 in
ihrem axial mittleren Bereich mit einer konkav-sphärischen
Innenfläche
ausgebildet, und jeder der Anschlusskörper 18 ist in seinem
axial mittleren Bereich konvex kugelförmig gestaltet. Im Ursprungszustand,
vor dem Einbau der Kupplung 10 in einen Lenkungsantrieb
oder dergleichen, liegen die beiden Stirnseiten der elastischen
Gelenkscheibe 12 in je einer zu deren zentraler Achse C
normalen Ebene, und die Buchsen 16 sowie die Anschlusskörper 18 sind
achsparallel zu dieser Achse C ausgerichtet.
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Jede
der Buchsen 16 hat an einem ihrer Enden einen zylindrischen
Ansatz 22, und an ihrem anderen Ende einen radial nach
außen
ragenden Flansch 24. Die beiden in 2 geschnitten
dargestellten Buchsen 16 liegen einander in Bezug auf die zentrale
Achse C diametral gegenüber
und sind so angeordnet, dass ihr Ansatz 22 über die
in 2 linke Stirnseite 14 der Gelenkscheibe 12 hinausragt, während ihr
Flansch 24 an der rechten Stirnseite 14 der Gelenkscheibe 12 anliegt
und nach rechts über diese
hinausragt. Die Achsen dieser beiden Buchsen 16 liegen
in der in 1 senkrechten Ebene B. Die beiden übrigen Buchsen 16 liegen
einander ebenfalls in Bezug auf die zentrale Achse C diametral gegenüber, jedoch
liegen ihre Achsen in der in 1 waagrechten
Ebene A. Die Ansätze 22 dieser
beiden Buchsen 16 weisen, bezogen auf 2,
nach rechts, wohingegen ihre Flansche 24 an der linken
Stirnseite 14 der Gelenkscheibe 12 anliegen.
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Die
insgesamt vier Buchsen 16 bilden also zusammen mit den
zugehörigen
Anschlusskörpern 18 zwei
Paar einander gegenüberliegende
Kugelgelenke 20. Die Buchsen 16 jedes dieser Gelenkpaare sind – unabhängig von
dem anderen Gelenkpaar – starr
miteinander verbunden. Zu diesem Zweck ist den beiden Gelenkpaaren
je eine Traverse 26 zugeordnet. Diese ist im dargestellten
Beispiel ein Stanzteil aus Stahlblech, das gemäß 1 ungefähr die Form
einer Lasche einer Laschenkette hat. Jede der beiden Traversen 26 hat
zwei kreisförmig
abgerundete Enden mit einem zentralen kreisförmigen Loch. Mit diesen beiden
Löchern
ist jede der beiden Traversen 26 auf die Ansätze 22 der
beiden zugehörigen
Buchsen 16 aufgesteckt und starr sowie unlösbar befestigt,
beispielsweise verstemmt. Die insgesamt vier abgerundeten Enden
der beiden Traversen 26 begrenzen zusammen mit den Flanschen 24 der
zugehörigen
Buchsen 16 Wickelräume,
die Schlingenpakete 28 enthalten. Solche Schlingenpakete 28 sind nur
in 2 angedeutet; sie verbinden in üblicher Weise
jede Buchse 16 mit jeder der beiden unmittelbar benachbarten
Buchsen 16.
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Jeder
der Anschlusskörper 18 hat
ein durchgehendes zentrales Loch 30, das in seinen beiden Endbereichen
von je einem zylindrischen Kragen 32 des betreffenden Anschlusskörpers 18 umringt
ist. Diese Kragen 32 dienen als Abstandhalter beim Einbau
der erfindungsgemäßen Kupplung 10 in
einen Antriebsstrang eines Lenkgetriebes oder dergleichen.
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Gemäß 3 und 4 verbindet
eine erfindungsgemäße Kupplung 10 einen
Drehkörper 34, dessen
Achse mit D bezeichnet ist, mit einem Drehkörper 36, dessen Achse
mit E bezeichnet ist. Jeder der beiden Drehkörper 34 und 36 weist
zu seiner Befestigung an der Kupplung 10 ein Joch 38 auf,
das sich rechtwinklig zur zugehörigen
Achse D bzw. E erstreckt und ein Paar Durchgangslöcher für je ein
Befestigungselement 40 aufweist. Die Befestigungselemente 40 sind
im dargestellten Beispiel Gewindebolzen mit je einem flachen zylindrischen
Kopf 42 mit Schlüsselflächen und
einer auf das entgegensetzte Bolzenende aufgeschraubten Mutter 40.
Die Art der verwendeten Befestigungselemente 40 ist jedoch
im Zusammenhang mit der Erfindung nicht wesentlich; als Befestigungselemente
können
beispielsweise auch Nieten vorgesehen sein.
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Gemäß 3 und 4 erstreckt
sich jedes der insgesamt vier Befestigungselemente 40 durch einen
der Anschlusskörper 18 und
durch das zugehörige
Joch 38 hindurch. Dabei sind die Joche 38 des Drehkörpers 34 einerseits
und des Drehkörpers 36 anderseits
um einen Drehwinkel von 90 Grad gegeneinander versetzt mit der erfindungsgemäßen Kupplung 10 verbunden.
Alternativ kann jeder der Anschlusskörper 18 zugleich als
Befestigungselement ausgebildet sein und zu diesem Zweck beispielsweise
eine Verlängerung
in Form eines Gewindebolzens aufweisen.
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Der
in 3 und 4 rechte Drehkörper 36 ist
eine Teleskopwelle; deren von der Kupplung 10 entfernter
Teil ist über
ein Kreuzzapfengelenk 46 mit einem dritten Drehkörper 48 verbunden,
dessen Achse F im dargestellten Beispiel parallel zur Achse D des
ersten Drehkörpers 34 angeordnet
ist. Die Achsen D und E der beiden Drehkörper 34 und 36 schließen im dargestellten
Beispiel einen Neigungs- oder Beugewinkel von 15 Grad miteinander
ein; die erfindungsgemäße nachgiebige
Kupplung 10 lässt
aber noch größere Beugewinkel
zu.
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Aus
Kostengründen
sind die Schlingenpakete 28 üblicherweise so gewickelt,
dass jede der Buchsen 16 mit jeder der beiden unmittelbar
benachbarten Buchsen 16 durch nur ein Schlingenpaket 28 verbunden
ist, und diese Schlingenpakete axial nebeneinander um die betreffende
Buchse herumgelegt sind. Wenn Drehmomente über die Kupplung 10 übertragen
werden, hat diese Anordnung der Schlingenpakete zur Folge, dass
die Buchsen 16, bezogen auf ihre axiale Länge, asymmetrisch
belastet werden und somit einem Kippmoment ausgesetzt sind. Solche Kippmomente
sind in 1 mit je einem Pfeil angedeutet
und als Ma bzw. Mb bezeichnet.
Die erfindungsgemäßen Traversen 26 verhindern,
dass die Buchsen 16, diesen Momenten Ma bzw.
Mb folgend, ihre zur zentralen Achse C der
nachgiebigen Kupplung 10 parallele Ausrichtung verlassen
und dabei die Gelenkscheibe 12 unnötig belasten. Die erwünschte Nachgiebigkeit
der erfindungsgemäßen Kupplung 10 wird
jedoch durch die Traversen 26 nicht verringert. Die Buchsen 16 können, sich
selbst parallel bleibend, in Umfangsrichtung der Kupplung 10 in
Grenzen nachgeben, die durch die Härte des Gummis der Gelenkscheibe 12 sowie
gegebenenfalls eine Vorspannung der Schlingenpakete 28 festgelegt
sind.