DE102005042910A1

DE102005042910A1 - Gelenkwelle, umfassend ein Gegenbahngelenk mit begrenzter Axialverschiebung

Info

Publication number: DE102005042910A1
Application number: DE102005042910A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Weckerling (Fh); Orkan Dipl.-Ing. Eryilmaz (Fh)
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: WO2007028436A1; DE102005042910B4; JP2009507196A; BRPI0615627A2; CN101326379A; JP4898811B2; BRPI0615627B1; CN101326379B

Abstract

Gelenkwelle, umfassend ein erstes Drehgelenk, eine Zwischenwelle und ein zweites Drehgelenk, wobei das erste Drehgelenk ein Kugelgleichlaufdrehgelenk 11 in Form eines Gegenbahngelenks, umfassend ein Gelenkaußenteil 12 mit ersten und zweiten äußeren Kugelbahnen 16, 18, ein Gelenkinnenteil 14 mit ersten und zweiten inneren Kugelbahnen 17, 19, wobei erste äußere Kugelbahnen 16 mit ersten inneren Kugelbahnen 17 erste Bahnpaare 16, 17 bilden, die sich in einer ersten axialen Richtung Ri1 erweitern (alpha), und wobei zweite äußere Kugelbahnen 18 mit zweiten inneren Kugelbahnen 19 zweite Bahnpaare 18, 19 bilden, die sich in einer zweiten axialen Richtung Ri2 erweitern (beta), Kugeln 20, die in den Bahnpaaren geführt sind und deren Kugelmittelpunkte auf einem Rollkreisradius um einen Gelenkmittelpunkt M liegen, einem Kugelkäfig 21 mit umfangsverteilten Käfigfenstern 22, in dem die Kugeln 20 in einer gemeinsamen Mittelebene E gehalten werden und bei Gelenkbeugung auf die winkelhalbierende Ebene geführt werden, wobei zwischen dem Gelenkaußenteil 12 und dem Kugelkäfig 21 einerseits und zwischen dem Kugelkäfig 21 und dem Gelenkinnenteil 14 andererseits Axialspiele vorgesehen sind, die eine relative Axialverschiebung zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 14 zulassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkwelle, umfassend ein erstes Drehgelenk, eine Zwischenwelle und ein zweites Drehgelenk, wobei das erste Drehgelenk ein Kugelgleichlaufdrehgelenk in Form eines Gegenbahngelenks ist.

Gegenbahngelenke der hiermit als erstes Drehgelenk verwendeten Art sind in der DE 100 60 120 A1 beschrieben, wobei davon ausgegangen ist, daß ein axialer Verschiebeweg in Abhängigkeit von den sich einstellenden Steuerwinkeln zu begrenzen ist. Gegenbahngelenke der genannten Art sind in der axialen Mittelstellung axialkraftfrei und eignen sich damit zur Entkopplung kleinerer Schwingungen im Antriebsstrang. Bei einer Axialverschiebung unter Drehmomentbelastung bauen sich jedoch Axialkräfte auf, so daß es zu einer Übertragung von Axialschwingungen kommen kann. Bei zu großem Axialverschiebeweg geht der Effekt der Axialkraftfreiheit bzw. Axialkraftarmut verloren.

Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkwelle unter Verwendung eines Gelenks der genannten Art vorzuschlagen, die zur Schwingungsentkopplung in Antriebssträngen wirksam beitragen kann.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe besteht in einer Gelenkwelle, umfassend ein erstes Drehgelenk, eine Zwischenwelle und ein zweites Drehgelenk, wobei das erste Drehgelenk ein Kugelgleichlaufdrehgelenk in Form eines Gegenbahngelenks ist, umfassend ein Gelenkaußenteil mit ersten und zweiten äußeren Kugelbahnen, ein Gelenkinnenteil mit ersten und zweiten inneren Kugelbahnen, wobei erste äußere Kugelbahnen mit ersten inneren Kugelbahnen erste Bahnpaare bilden, die sich in einer ersten axialen Richtung Ri1 erweitern, und wobei zweite äußere Kugelbahnen mit zweiten inneren Kugelbahnen zweite Bahnpaare bilden, die sich in einer zweiten axialen Richtung Ri2 erweitern, Kugeln, die in den Bahnpaaren geführt sind und deren Kugelmittelpunkte Z auf einem Rollkreisradius PCR um einen Gelenkmittelpunkt M liegen, einem Kugelkäfig mit umfangsverteilten Käfigfenstern, in dem die Kugeln in einer gemeinsamen Mittelebene E gehalten werden und bei Gelenkbeugung auf die winkelhalbierende Ebene geführt werden, wobei zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Kugelkäfig einerseits und zwischen dem Kugelkäfig und dem Gelenkinnenteil andererseits Axialspiele vorgesehen sind, die eine relative Axialverschiebung zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil zulassen.

Hierbei wird insbesondere vorgeschlagen, daß das Verhältnis zwischen der gesamten Axialverschiebung S und dem Rollkreisradius PCR der Kugeln jeweils bei gestrecktem Gelenk zwischen 0,01 und 0,09 liegt (0,01 < S/PCR < 0,09). Bei Einhaltung dieses auf die Gelenkgröße bezogenen Axialverschiebeweges wird vermieden, daß im Arbeitsbereich des Gelenks die resultierenden Axialkräfte zu groß werden.

Bevorzugt wird vorgesehen, daß das Verhältnis zwischen der gesamten Axialverschiebung S und dem Rollkreisradius PCR der Kugeln jeweils bei gestrecktem Gelenk unterhalb von 0,05 liegt (S/PCR < 0,05). Die Axialkräfte sind besonders niedrig, wenn die Unterschiede zwischen den Öffnungswinkeln der Bahnpaare relativ gering sind. Es wird daher vorgeschlagen, daß bei gestrecktem Gelenk in den Endpositionen der relativen Axialverschiebung zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil der jeweils kleinere der Öffnungswinkel α oder β der ersten Bahnpaare und der zweiten Bahnpaare kleiner 8° ist (α < 8° v β < 8°). Eine weitere Reduzierung der Öffnungswinkel der Bahnpaare kann soweit gehen, daß bei gestrecktem Gelenk in einer mittleren Position der relativen Axialverschiebung zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil, in der die Öffnungswinkel α, β der ersten Bahnpaare und der zweiten Bahnpaare dem Betrag nach gleich sind, beide Öffnungswinkel α und β kleiner 8° sind (α < 8° ⋏ β < 8°).

Hierbei ist insbesondere vorzusehen, daß am ersten Drehgelenk die Innenfläche des Gelenkaußenteils, die Außenfläche des Gelenkinnenteil sowie die Außenfläche und die Innenfläche des Kugelkäfigs jeweils Kugelabschnittsflächen sind, wobei das Ra dialspiel COR zwischen Gelenkaußenteil und Kugelkäfig und das Radialspiel CIR zwischen Kugelkäfig und Gelenkinnenteil jeweils zwischen 0,015 und 0,20 mm beträgt. Hiermit ist die Gelenkfertigung des ersten Drehgelenks in vorteilhafter Weise zu entfeinern, da die entsprechenden Flächen, die bei einem Gelenk dieser Art keine Führungsfunktion haben, sondern nur als Axialanschläge dienen, einfach durch Umformung oder durch einfache Drehoperation hergestellt werden können. Insbesondere ist vorgesehen, daß am Gelenkaußenteil nach dem Umformen mit dem erforderlichen Aufmaß für die mechanische Bearbeitung die innere kugelige Führungsfläche für den Kugelkäfig ausschließlich weichgedreht und abschließend gehärtet wird, während die Kugelbahnen nach dem Umformen nur gehärtet und geschliffen werden. Das Härten von Führungsfläche und Kugelbahnen kann induktiv in einem einzigen Vorgang erfolgen.

Es wird weiter als vorteilhafte Bemessung vorgeschlagen, daß das Axialspiel BC der Kugeln in den Käfigfenstern zwischen –0,03 mm (Preßsitz) und 0,1 mm (Spielpassung) liegt.

Nach einer weiteren bevorzugten Bemessung ist vorgesehen, daß am ersten Drehgelenk das radiale Kugelspiel BO der Kugeln in den Bahnpaaren zwischen –0,03 mm (Preßsitz) und 0,08 mm (Spielpassung) liegt. Dieser Wertebereich gilt ebenso wie der vorher benannte für alle Gelenke gängiger Größen für den Automobilbereich.

Eine bevorzugte Bahngestaltung des jeweils ersten Drehgelenks wird in den Ansprüchen 7 bis 12 angegeben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Hiermit wird sichergestellt, daß große Beugewinkel am ersten Drehgelenk möglich werden und auch bei diesen großen Beugewinkeln ungeachtet der Axialverschiebeposition eine gute Steuerung der Kugeln durch die Bahnkräfte und damit eine zuverlässige Steuerung des ersten Drehgelenks aufrechterhalten wird. Die genannte Bahngestaltung ist bisher nur für Festgelenke ohne Axialverschiebemöglichkeit vorgeschlagen worden ( DE 103 37 612 A1 ).

Das erste Drehgelenk kann vorzugsweise mit sechs Kugeln oder mit acht Kugeln ausgeführt werden.

Für die Ausgestaltung des zweiten Drehgelenks an der erfindungsgemäßen Gelenkwelle wird vorgeschlagen, daß das zweite Drehgelenk ein Axialverschiebegelenk ist, insbesondere in Form eines Tripodegelenks, eines VL- oder XL-Verschiebegelenks oder eines DO-Verschiebegelenks. Alternativ kann vorgesehen werden, daß das zweite Drehgelenk als Festgelenk ausgeführt ist, insbesondere in Form eines Kardangelenks, eines AC-Gelenks, eines UF-Gelenks oder eines Gegenbahngelenks. Insbesondere in der letztgenannten Alternative kann ergänzend vorgesehen werden, daß die Zwischenwelle eine Axialverschiebeeinheit umfaßt, so daß auch eine dieserart aufgebaute erfindungsgemäße Gelenkwelle nennenswerte Längenänderungen aufnehmen kann. In allen Varianten können axial in die Gelenkwelle eingetragene Schwingungen im ersten als verschiebbares Gegenbahngelenk ausgeführten Drehgelenk über dessen kraftarme Axialverschiebbarkeit in einem Umfang abgekoppelt werden, der durch bekannte Gelenke und Axialverschiebeeinheiten nicht in gleicher Weise darstellbar ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.
1 zeigt ein Gegenbahngelenk für eine erfindungsgemäße Gelenkwelle in einer ersten Ausführung mit sechs Kugeln

a) in einem ebenen Längsschnitt durch gegenüberliegende Kugelbahnen
b) in einer Abwicklung des Kugelkäfigs
c) in einem abgeknickten Längsschnitt durch ein Käfigfenster und einen Käfigsteg
d) in einer vergrößerten Einzelheit nach Darstellung c);

2 zeigt das Gelenk in der Ausführung nach 1 in einer axialverschobenen Stellung

a) in einem ebenen Längsschnitt durch gegenüberliegende Kugelbahnen
b) in einer Abwicklung des Kugelkäfigs
c) in einem abgeknickten Längsschnitt durch ein Käfigfenster und einen Käfigsteg;

3 zeigt das Gelenk in der Ausführung nach den 1 und 2 in einem abgeknickten Längsschnitt durch ein Käfigfenster und einen Käfigsteg

a) in einer ersten axial maximal verschobenen Stellung
b) in der axialen Mittelstellung
c) in einer zweiten axial maximal verschobenen Stellung
d) in einer vergrößerten Einzelheit nach Darstellung b);

4 zeigt das Gelenk nach den 1 bis 3 in einem abgeknickten Längsschnitt durch ein Käfigfenster und einen Käfigsteg mit ergänzender Vermaßung

a) in einer ersten axial maximal verschobenen Stellung
b) in der axialen Mittelstellung
c) in einer zweiten axial maximal verschobenen Stellung;

5 zeigt das Gelenk nach den 1 bis 4

a) in der Darstellung nach den 3b und 4b
b) in einer vergrößerten Einzelheit nach Darstellung a);

6 zeigt das Gelenk nach den 1 bis 5

a) in der Darstellung nach 5a
b) in einer vergrößerten Einzelheit nach Darstellung a);

7 zeigt ein Gegenbahngelenk für eine erfindungsgemäße Gelenkwelle in einer zweiten Ausführung mit sechs Kugeln und einer speziellen Bahnform

a) im Längsschnitt
b) in axialer Ansicht;

8 zeigt ein Gegenbahngelenk für eine erfindungsgemäße Gelenkwelle in einer dritten Ausführung mit einer speziellen Bahnform und acht Kugeln

a) in einem Längsschnitt A-A
b) in einem Längsschnitt B-B durch die zweiten Bahnpaare
c) in axialer Ansicht;

9 zeigt das Gelenk nach 7 mit Bezeichnung der Öffnungswinkel im Längsschnitt;
10 zeigt Einzelheiten des Gelenks nach 9 mit Bemaßung der Kugelbahnmittellinien;

a) das Gelenkaußenteil im Längsschnitt
b) das Gelenkinnenteil im Längsschnitt;

11 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle mit einem AAR-Tripodegelenk als zweitem Drehgelenk;
12 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle mit einem GI-Tripodegelenk als zweitem Drehgelenk;
13 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle mit einem VL-Kugelverschiebegelenk als zweitem Drehgelenk;
14 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle mit einem DO-Kugelverschiebegelenk als zweitem Drehgelenk;
15 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle mit einem Kreuzgelenk als zweitem Drehgelenk;
16 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle mit einem AC-Festgelenk als zweitem Drehgelenk und einer Axialverschiebeeinheit;
17 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle mit einem UF-Festgelenk als zweitem Drehgelenk und einer Axialverschiebeeinheit;
18 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle mit einem Gegenbahnfestgelenk als zweitem Drehgelenk und einer Axialverschiebeeinheit.
Die Darstellungen der 1 werden nachstehend gemeinsam beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Gegenbahngelenk 11 umfaßt ein Gelenkaußenteil 12 mit einem angeformten Boden 13, ein Gelenkinnenteil 14 mit einer eingesteckten Welle 15, Bahnpaare aus ersten äußeren Kugelbahnen 16 und ersten inneren Kugelbahnen 17, die sich in einer Gelenkmittelebene E in einer ersten Richtung Ri1 zum Boden 13 hin öffnen, sowie zweite Bahnpaare aus zweiten äußeren Kugelbahnen 18 und zweiten inneren Kugelbahnen 19, die sich in der Gelenkmittelebene E in einer zweiten axialen Richtung Ri2 zur Welle 15 hin öffnen. Eine Mehrzahl von ersten und zweiten Bahnpaaren verteilt sich über den Gelenkumfang. Der Öffnungswinkel der ersten Bahnpaare 16, 17 in der Mittelebene E ist mit α bezeichnet; der Öffnungswinkel der zweiten Bahnpaare 18, 19 in der Mittelebene E ist mit β bezeichnet. In den Bahnpaaren sitzen erste Kugeln 20₁ und zweite Kugeln 20₂ ein, die von einem Kugelkäfig 21 mit umfangsverteilten Käfigfenstern 22 in der gemeinsamen Mittelebene E gehalten werden. Es ist die Mittelachse A des gestreckten Gelenks ebenfalls bezeichnet, die die Mittelebene E im Gelenkmittelpunkt M schneidet. Bei Drehmomentübertragung werden auf die ersten Kugeln 20₁ Kräfte F1 in Richtung zum Boden 13 ausgeübt und auf die zweiten Kugeln 20₂ zweite Kräfte F2 in Richtung zur Welle 15. in der gezeigten Mittelstellung des Gelenks sind aufgrund der Größengleichheit der Winkel α, β die Kräfte F1 und F2 gleich groß, so daß die Summe aller Axialkräfte FC auf den Kugelkäfig 21 gleich Null ist. Wie in Darstellung c) und d) erkennbar, hat der Kugelkäfig 21 sowohl gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 als auch gegenüber dem Gelenkinnenteil 14 Radialspiel und dadurch auch Axialspiel, wobei das gesamte Axialspiel zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 14 mit S bezeichnet wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat das Gelenkaußenteil 12 eine kugelige Innenfläche 23 und das Gelenkinnenteil 14 eine kugelige Außenfläche 24. Weiterhin hat der Kugelkäfig 21 eine kugelige Außenfläche 25 und eine kugelige Innenfläche 26.
In 2 sind gleiche Einzelheiten wie in 1 mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. Die einzelnen Darstellungen der 2 werden nachstehend gemeinsam beschrieben. Das Gelenk ist in einer Position dargestellt, in der das Gelenkinnenteil 14 gegenüber der auf das Gelenkaußenteil 12 bezogenen Mittelebene E um den axialen Schiebeweg S2 in der ersten Richtung verschoben ist. Infolge dieser Verschiebung wird der Öffnungswinkel α der ersten Bahnpaare 16, 17 kleiner, während der Öffnungswinkel β der zweiten Bahnpaare 18, 19 größer wird. Hieraus ergibt sich, daß bei Drehmomentübertragung die Axialkräfte F1 auf die ersten Kugeln 20₁ jeweils geringer werden und die Axialkräfte F2 auf die zweiten Kugeln 20₂ jeweils größer werden. Die Summe der Axialkräfte FC ist damit ungleich Null und in Richtung zur Welle 15 gerichtet. In dieser Stellung kann der Käfig und damit das Gelenk insgesamt nicht mehr axialkraftfrei verschoben werden.
In 3 sind gleiche Einzelheiten wie in den 1 und 2 mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. In der Darstellung b) ist das Gelenk im Axialschnitt in der axialen Mittelstellung gemäß 1c gezeigt. Aus der vergrößerten Einzelheit ergibt sich, daß das Gelenkinnenteil 14 gegenüber dem Kugelkäfig 21 die Axialspiele S1i und S2i aufweist. Weiterhin ist erkennbar, daß der Kugelkäfig 21 gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 die Axialspiele S1o und S2o aufweist. Hieraus ergibt sich, daß der in Darstellung a) gezeigte maximale Verschiebeweg S1 in eine Richtung der Summe aus S1 i und S1o entspricht und der in Darstellung c) gezeigte maximale Verschiebeweg S2 in die entgegengesetzte Richtung sich als Summe aus S2i und S2o ergibt. In den Endpositionen schlägt jeweils der Kugelkäfig 21 am Gelenkinnenteil 14 und/oder am Gelenkaußenteil 12 an. Der Gesamtverschiebeweg S ergibt sich als Summe aus S1 und S2, wobei hierbei S die Verschiebung des Gelenkinnenteils 14 gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 von einem Anschlag bis zum anderen Anschlag bedeutet.
In 4 sind gleiche Einzelheiten wie in den 1 bis 3 mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die vorangehende Beschreibung wird insoweit Bezug genommen. Die Darstellungen a), b) und c) entsprechen weitgehend den Darstellungen a), b) und c) der 3. In Darstellung b) ist zusätzlich der Rollkreisradius PCR der Kugeln von der Mittelachse A bis zum Kugelmittelpunkt Z bei gestrecktem Gelenk eingezeichnet. Es ist der erfindungsgemäße Bereich für die konstruktiven Verhältnisse zwischen maximalem Verschiebeweg S = S1 + S2 und Rollkreisradius PCR mit 0,01 < S/PCR < 0,09 angegeben.
In 5 sind gleiche Einzelheiten wie in den 1 bis 4 mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. Die Darstellung der Figur a) entspricht der Darstellung der 4b. In der vergrößerten Einzelheit nach Darstellung b) sind die Radialspiele CIR zwischen der äußeren Kugelfläche 24 des Gelenkinnenteils 14 und der inneren Kugelfläche 26 des Kugelkäfigs 21 sowie das Radialspiel COR zwischen der äußeren Kugelfläche 25 des Kugelkäfigs 21 und der inneren Kugelfläche 23 des Gelenkaußenteils 12 bezeichnet. Hierbei sind die Größenbereiche für die genannten Spiele mit 0,015 < CIR < 0,20 und 0,015 < COR < 0,20 bezeichnet, wobei sich die Angaben jeweils auf Millimeter beziehen.
In 6 sind gleiche Einzelheiten wie in den 1 bis 5 mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. Die Darstellung a) entspricht der Darstellung der 4b, wobei die Darstellung b) eine vergrößerte Einzelheit wiedergibt. In Darstellung b) ist das Radialspiel BO der Kugel in einem Bahnpaar 16, 18 ebenso wie das Axialspiel BC der Kugel 20₁ im Käfigfenster 22 angegeben, wobei die Werte für BC mit –0,03 < BC < 0,1 und die Werte für BO mit –0,03 < BO < 0,08 angegeben sind; hierbei beziehen sich die Angaben jeweils auf Millimeter.
In 7 ist ein erfindungsgemäßes Gegenbahngelenk mit sechs Bahnpaaren 16, 17; 18, 19 und somit sechs Kugeln 20 im Längsschnitt sowie in Ansicht gezeigt. Erste und zweite Bahnpaare wechseln sich über dem Umfang ab. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern belegt wie in den vorangegangenen 1 bis 6. Auf die Beschreibung wird insoweit Bezug genommen.
In 8 ist ein erfindungsgemäßes Gegenbahngelenk mit acht Kugeln 20 dargestellt, wobei ein Längsschnitt A-A durch erste Bahnpaare 16, 17 und ein Längsschnitt B-B durch zweite Bahnpaare 18, 19 gelegt ist. Erste und zweite Bahnpaare wechseln sich über dem Umfang ab. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern wie in den 1 bis 6 bezeichnet, auf deren Beschreibung Bezug genommen wird.
In 9 ist das Gelenk nach 7 mit den Öffnungswinkeln α und β der ersten Bahnpaare und zweiten Bahnpaare, die sich in der ersten Richtung Ri1 bzw. in der zweiten Richtung Ri2 öffnen, gezeigt. Einzelheiten zu den Bahnmittellinien der Kugelbahnen, die in 10 dargestellt sind, erstrecken sich sinngemäß auch auf das Gelenk nach 8. Die Mittellinie M16 der dargestellten ersten äußeren Kugelbahn 16 im Gelenkaußenteil 12 besteht aus einem Bogen mit einem ersten Radius R2 mit einem Mittelpunkt O2, der auf der Längsachse A mit axialem Offset gegenüber der Mittelebene E zum Boden hin angeordnet ist, einem sich daran stetig anschließenden Bogen mit einem kleineren Radius R3, dessen Mittelpunkt O3 den gleichen axialen Offset zum Boden hin wie der Mittelpunkt O2 von R2 hat, sowie einem Bogen mit einem Gegenradius R1, dessen Mittelpunkt O1 einen axialen Offset gegenüber der Mittelebene E in Gegenrichtung zu den Mittelpunkten O2, O3 der Bögen mit den Radien R2, R3, d. h. zur Öffnungsseite hin hat und dessen Mittelpunkt O1 außerhalb eines Kreises mit dem Radius R2 um den Mittelpunkt O2 liegt. Am Gelenkinnenteil ist erkennbar, daß die Mittellinie M17 der dargestellten ersten inneren Kugelbahn 17 zur Mittellinie der äußeren Kugelbahn 16 spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Mittelebene E ist, d. h. aus Bögen mit den Radien R2', R3' und R1' um Mittelpunkte O2', O3', O1' gleich aber spiegelsymmetrisch zusammengesetzt ist. Die Mittellinie M18 der zweiten äußeren Kugelbahn 18 umfaßt einen Bogen mit einem ersten Radius R5, dessen Mittelpunkt O5 auf der Längsachse A liegt, mit einem axialen Offset, der entgegengesetzt zum Offset des Mittelpunkts O2 des Bogens mit dem Radius R2 ist, d. h. zur Öffnungsseite hin liegt. An den Bogen mit dem Radius R5 schließt sich zur Öffnungsseite hin ein Bogen mit einem Gegenradius R4 an, dessen Mittelpunkt O4 außerhalb eines Kreises mit dem Radius R5 mit dem Mittelpunkt O5 liegt und einen in gleicher Richtung liegenden axialen Offset zur Mittelebene E hat. Es ist erkennbar, daß die Mittellinie M19 der zweiten inneren Kugelbahn 19 im Gelenkinnenteil 14 sich spiegelsymmetrisch zur Mittellinie M18 der zweiten äußeren Kugelbahn 18 verhält, d. h. aus Bogen mit den Radien R5' und R4' um Mittelpunkte O5', O4' jedoch spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Mittelebene E zusammengesetzt ist. Die ersten äußeren Kugelnbahnen 16 und ersten inneren Kugelbahnen 17 bilden in der Mittelebene E den eingezeichneten Öffnungswinkel α, der sich in der ersten Richtung Ri1 öffnet, während die zweiten äußeren Kugelbahnen 18 und die zweiten inneren Kugelbahnen 19 in der Mittelebene den entgegengesetzt in der Richtung Ri2 sich öffnenden Öffnungswinkel β bilden. Bei Axialverschiebung dieses erfindungsgemäßen Gelenkes, das durch das erfindungsgemäße Käfigspiel möglich wird, ändern sich die Öffnungswinkel gegensinnig, wobei das Gelenk aus der axialkraftfreien Position in Positionen übergeht, in denen Rückstellkräfte entstehen.
Der verwendete Begriff axialer Offset ist gleichbedeutend mit dem Begriff axialer Abstand, bzw. axialer Versatz.
In den 11 bis 18 ist jeweils eine erfindungsgemäße Gelenkwelle dargestellt, die als erstes Drehgelenk ein Gegenbahngelenk 11 der vorstehend beschriebenen Art ähnlich der Ausführung der 7 aufweist, weiterhin eine Zwischenwelle 31 (11 bis 15) bzw. eine Zwischenwelle mit integrierter Axialverschiebeeinheit 91 (16 bis 18) sowie schließlich ein zweites Drehgelenk in Form eines Axialverschiebegelenks (11 bis 14) bzw. ein zweites Drehgelenk in Form eines Festgelenks (15 bis 18). Die Einzelheiten des ersten Drehgelenks 11 sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den vorangegangenen Figuren. Auf die vorangehende Beschreibung wird insoweit Bezug genommen. Die Zwischenwelle 31, 91 ist jeweils in Steckverbindung mit Gelenkbauteilen des ersten Drehgelenks 11 und zweiten Drehgelenks verbunden. Gleiches gilt für die mehrteilig ausgeführte Zwischenwelle mit integrierter Verschiebeeinheit 91, die einen Hülsenabschnitt 92 mit einer inneren Wellenverzahnung 93 sowie einen Steckzapfen 94 umfaßt und weiter einen Zapfenabschnitt 95 mit einer äußeren Wellenverzahnung 96 umfaßt, die in die innere Wellenverzahnung 93 axialverschieblich eingreift.
Jeweils am zweiten Drehgelenk ist durch einen Doppelpfeil V1 die Einleitung von Anregungskräften in das zweite Drehgelenk dargestellt. An der Zwischenwelle 31, 91 ist mit einem weiteren Doppelpfeil V2 die Übertragung dieser Schwingungseintragungen in Richtung zum ersten Drehgelenk gezeigt. In der Einzelheit zum ersten Drehgelenk 11 ist durch einen dritten Doppelpfeil V3 schließlich die Entkopplung der Schwingungsanregung im ersten Drehgelenk 11 angedeutet, wo das Gelenkinnenteil auf das Gelenkaußenteil des Gegenbahngelenks keine wesentlichen Kräfte überträgt, das somit schwingungsfrei gehalten wird.
An den Kugeln 20₁ , 20₂ des ersten Drehgelenks 11 sind axial entgegengerichtete Kraftpfeile eingezeichnet, die die resultierende Axialkraftfreiheit versinnbildlichen sollen.
Im weiteren werden somit jeweils nur die zweiten Drehgelenke beschrieben.
In 11 ist als zweites Drehgelenk ein AAR-Tripodegelenk 41 gezeigt, das ein Gelenkaußenteil 42 mit drei umfangsverteilten Führungsbahnen 43, einen Tripodestern 44 mit umfangsverteilten Tripodezapfen 45 sowie auf den Tripodezapfen schwenkbar gehaltene drehbare Rollenanordnungen 46 umfaßt. Das Gelenkinnenteil (44) ist unter abrollendem Kontakt der Rollanordnungen 46 im Gelenkaußenteil 42 axial verschiebbar und gegenüber diesem winkelbeweglich.
In 12 ist als zweites Drehgelenk eine GI-Tripodegelenk 51 gezeigt, das ein Gelenkaußenteil 52 mit drei umfangsverteilten Führungsbahnen 53, einen Tripodestern 54 mit umfangsverteilten Tripodezapfen 55 sowie auf den Tripodezapfen drehbar gelagerte Rollen 56 umfaßt. Das Gelenkinnenteil (54) ist unter abrollender Bewegung der Rollen 56 im Gelenkaußenteil 52 axial verschiebbar und gegenüber diesem abwinkelbar.
In 13 ist als zweites Drehgelenk ein VL- oder XL-Verschiebegelenk 61 gezeigt, das ein Gelenkaußenteil 62 mit längsverlaufenden, die Längsachse kreuzenden äußeren Kugelbahnen 63 sowie ein Gelenkinnenteil 64 mit die Längsachse entgegengesetzt kreuzenden längsverlaufenden inneren Kugelbahnen 65 umfaßt, wobei in Paaren aus äußeren Kugelbahnen 63 und inneren Kugelbahnen 65 drehmomentübertragende Kugeln 66 geführt werden, die ihrerseits mittels eines Käfigs 67 in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden. Der Käfig 67 hat Axialspiel gegenüber dem Gelenkinnenteil 64 und ist in einer innenzylindrischen Führungsfläche 68 des Gelenkaußenteils 62 geführt. Das Gelenkinnenteil 64 ist auf diese Weise gegenüber dem Gelenkaußenteil 62 axial verschiebbar und abwinkelbar gehalten.
In 14 ist als zweites Drehgelenk ein DO-Verschiebegelenk 71 gezeigt, das ein Gelenkaußenteil 72 mit axial verlaufenden äußeren Kugelbahnen 73 sowie ein Ge lenkinnenteil 74 mit axial verlaufenden inneren Kugelbahnen 75 aufweist. In Paaren aus äußeren Kugelbahnen 73 und inneren Kugelbahnen 75 sind drehmomentübertragende Kugeln 76 geführt, die ihrerseits von einem Käfig 77 in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden. Der Käfig 77 ist in einer innenzylindrischen Führungsfläche 78 des Gelenkaußenteils 72 axialverschieblich und abwinkelbar und auf einer außenkugeligen Führungsfläche 79 des Gelenkinnenteils 74 ausschließlich abwinkelbar gehalten, so daß auf diese Weise das Gelenkinnenteil 74 gegenüber dem Gelenkaußenteil 72 axial verschiebbar und abwinkelbar geführt ist.
In der Gelenkwelle nach 15 ist als zweites Drehgelenk ein Kardangelenk oder auch Kreuzgelenk 81 gezeigt, das eine erste Gelenkgabel 82 und eine zweite, gegenüber der ersten um 90° verdrehte Gelenkgabel 83 aufweist, wobei letztere mit der Zwischenwelle 31 in Steckverbindung verbunden ist. Die beiden Gelenkgabeln werden gelenkig durch ein Zapfenkreuz 84 miteinander verbunden. Eine Axialverschiebeeinheit ist hierbei nicht dargestellt, ist jedoch im unterbrochenen Teil der Zwischenwelle 31 anzunehmen.
In 16 ist als zweites Drehgelenk ein AC-Gelenk (angular contact) gezeigt, das ein Gelenkaußenteil 102 mit äußeren kreisförmig gekrümmten Kugelbahnen 103 und ein Gelenkinnenteil 104 mit inneren kreisförmig gekrümmten Kugelbahnen 105 umfaßt. In Bahnpaaren aus untereinander gleichen äußeren Kugelbahnen 103 und inneren Kugelbahnen 105, die zur Zwischenwelle weisende Öffnungswinkel bilden, sind drehmomentübertragende Kugeln 106 geführt, die mittels eines Kugelkäfigs 107 in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden. Der Kugelkäfig 107 ist in einer innenkugeligen Führungsfläche 108 des Gelenkaußenteils 102 schwenkbar gehalten und axial abgestützt. Eine Axialverschiebung zwischen den beiden Gelenken 11, 101 ist innerhalb der Axialverschiebeeinheit 91 möglich.
In 17 ist als zweites Drehgelenk ein UF-Gelenk (undercut free) gezeigt mit einem Gelenkaußenteil 112 mit äußeren axial hinterschnittfreien Kugelbahnen 113, einem Gelenkinnenteil 114 mit inneren axial hinterschnittfreien Kugelbahnen 115, wobei in Paaren aus äußeren Kugelbahnen 113 und inneren Kugelbahnen 115, die zur Zwischenwelle weisende Öffnungswinkel bilden, drehmomentübertragende Ku geln 116 gehalten werden, die ihrerseits mittels eines Kugelkäfigs 117 in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden. Der Kugelkäfig 117 ist in einer innenkugeligen Führungsfläche 118 des Gelenkaußenteils 112 schwenkbar gehalten und axial abgestützt. Das Gelenk ist somit als Festgelenk ausgebildet, so daß die Axialverschiebung zwischen erstem Drehgelenk 11 und zweitem Drehgelenk 111 innerhalb der Axialverschiebeeinheit 91 erfolgen muß.
In 18 ist als zweites Drehgelenk ein Gegenbahngelenk 11' vorgesehen, das hierbei als Festgelenk ohne Axialverschiebemöglichkeit ausgebildet werden kann. Die Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern wie am ersten Drehgelenk 11 bezeichnet. Die Axialverschiebung zwischen dem ersten Drehgelenk 11 und dem zweiten Drehgelenk 11' kann innerhalb der Axialverschiebeeinheit 91 in der bereits beschriebenen Weise erfolgen.

Claims

Gelenkwelle, umfassend ein erstes Drehgelenk, eine Zwischenwelle und ein zweites Drehgelenk, wobei das erste Drehgelenk ein Kugelgleichlaufdrehgelenk (11) in Form eines Gegenbahngelenks ist, umfassend ein Gelenkaußenteil (12) mit ersten und zweiten äußeren Kugelbahnen (16, 18), ein Gelenkinnenteil (14) mit ersten und zweiten inneren Kugelbahnen (17, 19), wobei erste äußere Kugelbahnen (16) mit ersten inneren Kugelbahnen (17) erste Bahnpaare (16, 17) bilden, die sich in einer ersten axialen Richtung Ri1 erweitern (α), und wobei zweite äußere Kugelbahnen (18) mit zweiten inneren Kugelbahnen (19) zweite Bahnpaare (18, 19) bilden, die sich in einer zweiten axialen Richtung Ri2 erweitern (β), Kugeln (20), die in den Bahnpaaren geführt sind und deren Kugelmittelpunkte Z auf einem Rollkreisradius PCR um einen Gelenkmittelpunkt M liegen, einem Kugelkäfig (21) mit umfangsverteilten Käfigfenstern (22), in dem die Kugeln (20) in einer gemeinsamen Mittelebene E gehalten werden und bei Gelenkbeugung auf die winkelhalbierende Ebene geführt werden, wobei zwischen dem Gelenkaußenteil (12) und dem Kugelkäfig (21) einerseits und zwischen dem Kugelkäfig (21) und dem Gelenkinnenteil (14) andererseits Axialspiele vorgesehen sind, die eine relative Axialverschiebung S zwischen Gelenkaußenteil (12) und Gelenkinnenteil (14) zulassen.
Gelenkwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk das Verhältnis zwischen der gesamten Axialverschiebung S und dem Rollkreisradius PCR der Kugeln (20) bei gestrecktem Gelenk zwischen 0,01 und 0,09 liegt (0,01 < S/PCR < 0,09).
Gelenkwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk das Verhältnis zwischen der gesamten Axialverschiebung S und dem Rollkreisradius PCR der Kugeln (20) bei gestrecktem Gelenk unterhalb von 0,05 liegt (S/PCR < 0,05).
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk bei gestrecktem Gelenk in den Endpositionen der relativen Axialverschiebung zwischen Gelenkaußenteil (12) und Gelenkinnenteil (14) der jeweils kleinere der Öffnungswinkel α oder β der ersten Bahnpaare (16, 17) oder der zweiten Bahnpaare (18, 19) kleiner 8° ist (α < 8° v β < 8°).
Gelenkwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk bei gestrecktem Gelenk in einer mittleren Position der relativen Axialverschiebung zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil, in der die Öffnungswinkel α und β der ersten Bahnpaare (16, 17) und der zweiten Bahnpaare (18, 19) dem Betrag nach gleich sind, beide Öffnungswinkel α und β kleiner 8° sind (α < 8° ⋏ β < 8°).
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk die Innenfläche (23) des Gelenkaußenteils (12), die Außenfläche (24) des Gelenkinnenteils (14) sowie die Außenfläche (25) und die Innenfläche (26) des Kugelkäfigs (21) jeweils Kugelabschnittsflächen sind, wobei das Radialspiel COR zwischen Gelenkaußenteil (12) und Kugelkäfig (21) und das Radialspiel CIR zwischen Kugelkäfig (21) und Gelenkinnenteil (14) jeweils zwischen 0,015 und 0,20 mm beträgt.
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk die Bahnmittellinien M16 der ersten äußeren Kugelbahnen (16) zentral einen Bogen mit dem Radius R2 haben, dessen Mittelpunkt O2 um einen axialen Offset von der Mittelebene E des Gelenks in der ersten Richtung versetzt liegt, und daß sie anschließend an diesen Bogen in der ersten Richtung von diesem Radius R2 zunehmend nach radial innen abweichen und daß die Bahnmittellinien M17 der ersten inneren Kugelbahnen (17) zentral einen Bogen mit dem Radius R2' haben, dessen Mittelpunkt O2' um einen axialen Offset von der Mittelebene E des Gelenks in der zweiten Richtung versetzt liegt, und daß sie anschließend an diesen Bogen in der zweiten Richtung von diesem Radius R2' zunehmend nach radial innen abweichen.
Gelenkwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk die Bahnmittellinien M16 der ersten äußeren Kugelbahnen (16) im Anschluß an den Bogen mit dem Radius R2 in der ersten Richtung einen Bogen mit einem kleineren Radius R3 mit gleichem Krümmungssinn haben, der sich stetig an ersteren anschließt und daß die Bahnmittellinien M17 der ersten inneren Kugelbahnen (17) im Anschluß an den Bogen mit dem Radius R2' in der zweiten Richtung einen Bogen mit einem kleineren Radius R3' mit gleichem Krümmungssinn haben, der sich stetig an ersteren anschließt.
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk die Bahnmittellinien M16 der ersten äußeren Kugelbahnen (16) im Anschluß an den Bogen mit dem Radius R2 in der zweiten Richtung von diesem Radius R2 zunehmend nach radial außen abweichen und daß die Bahnmittellinien M17 der ersten inneren Kugelbahnen (17) im Anschluß an den Bogen mit dem Radius R2' in der ersten Richtung von diesem Radius R2' zunehmend nach außen abweichen.
Gelenkwelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk die Bahnmittellinien M16 der ersten äußeren Kugelbahnen (16) im Anschluß an den Bogen mit dem Radius R2 in der zweiten Richtung einen Bogen mit dem Radius R1 mit entgegengesetztem Krümmungssinn haben, der sich an ersteren stetig anschließt und dessen Mittelpunkt O1 außerhalb eines Kreises mit dem Radius R2 und dem Mittelpunkt O2 liegt und daß die Bahnmittellinien M17 der ersten inneren Kugelbahnen (17) im Anschluß an den Bogen mit dem Radius R2' in der ersten Richtung einen Radius R1' mit entgegengesetztem Krümmungssinn haben, der sich stetig an ersteren anschließt und dessen Mittelpunkt O1' außerhalb eines Kreises mit dem Radius R2' um den Mittelpunkt O2' liegt.
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk die Bahnmittellinien M18 der zweiten äußeren Kugelbahnen (18) zentral einen Bogen mit dem Radius R5 haben, dessen Mittelpunkt O5 um einen axialen Offset von der Mittelebene E des Gelenks in der zweiten Richtung versetzt liegt, und daß sie anschließend an diesen Bogen in der zweiten Richtung zunehmend von diesem Radius R5 nach radial außen abweichen, und daß die Bahnmittellinien M19 der zweiten inneren Kugelbahnen (19) zentral einen Bogen mit dem Radius R5' haben, dessen Mittelpunkt O5' um einen axialen Offset von der Mittelebene E des Gelenks in der ersten Richtung versetzt liegt, und daß sie anschließend an diesen Bogen in der ersten Richtung von diesem Radius R5' zunehmend nach radial außen abweichen.
Gelenkwelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk die Bahnmittellinien M18 der zweiten äußeren Kugelbahnen (18) im Anschluß an den Bogen mit dem Radius R5 in der zweiten Richtung einen Bogen mit einem Radius R4 mit entgegengesetztem Krümmungssinn haben, der sich stetig an ersteren anschließt und dessen Mittelpunkt O4 außerhalb eines Kreises mit dem Radius R5 um den Mittelpunkt O5 liegt, und daß die Bahnmittellinien M19 der zweiten inneren Kugelbahnen (19) im Anschluß an den Bogen mit dem Radius R5' in der ersten Richtung einen Bogen mit dem Radius R4' mit entgegengesetztem Krümmungssinn haben, der sich stetig an ersteren anschließt und dessen Mittelpunkt O4' außerhalb eines Kreises mit dem Radius R5' um den Mittelpunkt O5' liegt.
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Drehgelenk ein Axialverschiebegelenk ist, insbesondere in Form eines Tripodegelenks (41, 51), eines VL- oder XL-Verschiebegelenks (61) oder eines DO-Verschiebegelenks (71).
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Drehgelenk als Festgelenk ausgeführt ist, insbesondere in Form eines Kardangelenks (81), eines AC-Gelenks (101), eines UF-Gelenks (111) oder eines Gegenbahngelenks (11').
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwelle eine Axialverschiebeeinheit (91) umfaßt.
Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Drehgelenk am Gelenkaußenteil (12) nach dem Umformen die innere Kugelfläche (23) ausschließlich weichgedreht und gehärtet ist und die Kugelbahnen (16, 18) ausschließlich gehärtet und geschliffen sind.