DE102006016843B4

DE102006016843B4 - Spielfreies Gleichlaufdrehgelenk

Info

Publication number: DE102006016843B4
Application number: DE102006016843.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Stephan (FH) Maucher; Dr.-Ing. Hildebrandt Wolfgang
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2026-04-08
Also published as: RU2008144122A; CN101460756A; RU2392512C1; CN101460756B; WO2007115607A1; DE102006016843A1

Abstract

Gleichlaufdrehgelenk (11) umfassend
ein Gelenkaußenteil (12) mit umfangsverteilten äußeren Kugelbahnen (15),
ein Gelenkinnenteil (17) mit umfangsverteilten inneren Kugelbahnen (19), drehmomentübertragende Kugeln (31), die in Bahnpaaren aus einander zugeordneten äußeren und inneren Kugelbahnen (15, 19) einsitzen, sowie einen ringförmigen Kugelkäfig (22) der zwischen Gelenkaußenteil (12) und Gelenkinnenteil (17) einsitzt und umfangsverteilte Käfigfenster (23) aufweist, in denen die drehmomentübertragenden Kugeln (31) in einer gemeinsamen Ebene (E) gehalten werden,
wobei sich die Bahnpaare zumindest zu einem Teil bei gestrecktem Gelenk in einer übereinstimmenden axialen Richtung erweitern,
der Kugelkäfig (22) sich axial im Gelenkaußenteil (12) abstützt,
und das Gelenkinnenteil (17) axiales Spiel gegenüber dem Kugelkäfig (22) hat und wobei Mittel zur federnden Abstützung des Gelenkinnenteils (17) gegenüber dem Gelenkaußenteil (12) vorgesehen sind, die auf das Gelenkinnenteil (17) im Verhältnis zum Gelenkaußenteil (12) in derselben Richtung einwirken, in der sich die Bahnpaare erweitern,
wobei die Mittel zur federnden Abstützung einen Zapfen (36) umfassen, der koaxial zum Gelenkaußenteil (12) geführt oder angeordnet ist, und wobei der Abstand x eines Kontaktbereiches T der gegenseitigen Abstützung von Gelenkinnenteil (17) und Gelenkaußenteil (12) vom Gelenkmittelpunkt M kleiner gleich dem halben Außendurchmesser D/2 des Kugelkäfigs (22) ist, und wobei von den sich im Kontaktbereich T in gegenseitigem Kontakt befindlichen Flächen (39, 43) die eine ballig und die andere eben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichlaufgelenk umfassend ein Gelenkaußenteil mit umfangsverteilten längsverlaufenden äußeren Kugelbahnen, ein Gelenkinnenteil mit umfangsverteilten längsverlaufenden inneren Kugelbahnen, drehmomentübertragende Kugeln, die in Bahnpaaren aus einander zugeordneten äußeren und inneren Kugelbahnen einsitzen, sowie ein einen ringförmigen Kugelkäfig der zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil einsitzt und umfangsverteilte Käfigfenster aufweist, in denen die drehmomentübertragenden Kugeln in einer gemeinsamen Ebene gehalten werden, wobei sich die Bahnpaare zumindest zu einem Teil bei gestrecktem Gelenk in einer übereinstimmenden axialen Richtung erweitern, der Kugelkäfig sich axial im Gelenkaußenteil abstützt, und das Gelenkinnenteil axiales Spiel gegenüber dem Kugelkäfig hat und wobei Mittel zur federnden Abstützung des Gelenkinnenteils gegenüber dem Gelenkaußenteil vorgesehen sind, die auf das Gelenkinnenteil im Verhältnis zum Gelenkaußenteil in derselben Richtung einwirken, in der sich die Bahnpaare erweitern.
Gleichlaufgelenke der obengenannten Art werden als Rzeppa-Festgelenke bezeichnet. Je nach Ausführung der äußeren und inneren Kugelbahnen schließen diese Gelenke UF-Gelenke (undercut free) mit axial betrachtet hinterschnittfreien Kugelbahnen und AC-Gelenke (angular contact) mit kreisbogenförmigen axial gegeneinander versetzten Kugelbahnen ein. Daneben sind auch andere Bahnverläufe bekannt. Den genannten Rzeppa-Gelenken gemeinsam ist das Merkmal, dass sich die Bahnpaare aus äußeren und inneren Kugelbahnen bei gestrecktem Gelenk zumindest in der Gelenkmittelebene in einer übereinstimmenden axialen Richtung erweitern, wobei mitunter der Begriff ,keilförmig erweiternd‘ verwendet wird.
Hiermit entsteht bei Drehmomentbelastung des Gleichlaufdrehgelenks eine relative Axialkraft zwischen Gelenkaußenteil und Gelenkinnenteil, die sich somit axial relativ zueinander abstützen müssen, damit das Gelenk nicht demontiert. Es werden hierzu in der Regel sphärische Flächenpaarungen zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Kugelkäfig auf dessen Außenseite und zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Kugelkäfig auf dessen Innenseite verwendet.
Aus der WO 2003/002882 A1 ist ein Kugelgleichlauffestgelenk mit sich in Richtung Öffnungsseite des Gelenks erweiternden Bahnpaaren bekannt. Das Gelenkinnenteil ist in Richtung zum Gelenkboden abstützungsfrei gegenüber dem Kugelkäfig gehalten. In Richtung zur Gelenköffnung ist das Gelenkinnenteil über den Käfig am Gelenkaußenteil abgestützt. Am stirnseitigen Ende des Gelenkinnenteils ist eine Endkappe aus gleitfähigem Werkstoff angesetzt, die aus einem elastischen Material bestehen kann.
Aus der DE 31 14 290 C2 ist es bekannt, auf die relative Abstützung zwischen Kugelkäfig und Gelenkinnenteil und damit auf eine Feinbearbeitung der entsprechenden Flächen zu verzichten und stattdessen eine axiale Abstützung zwischen dem Gelenkinnenteil und einer innenkugeligen Abstützfläche im Gelenkaußenteil vorzusehen. Eine mit dem Gelenkinnenteil verbundene Stützfläche wird hierbei an einem Zapfenteil ausgebildet, das axial auf das Gelenkinnenteil aufgesetzt ist. Hierbei ist unter anderem auch eine federnde Abstützung des Zapfenteils gegenüber dem Gelenkinnenteil vorgesehen.
Aus der DE 29 27 648 A1 ist eine Drehgelenkkupplung zwischen einem inneren Kupplungsteil und einem äußeren Kupplungsteil mittels Kugeln bekannt. Die Drehgelenkkupplung ist in Form einer Verschiebekupplung gestaltet. Zwischen dem inneren Kupplungsteil und dem äußeren Kupplungsteil ist eine Schraubenfeder angeordnet, die zur Distanzhaltung der Gelenkwelle zwischen zwei Drehgelenkkupplungen dient.
Aus der US 1 985 278 A ist ein Gelenk bekannt, bei dem die Kugelbahnen mit gleichbleibendem Radius um den Gelenkmittelpunkt verlaufen. Die Steuerung erfolgt über den Kugelkäfig, welcher über eine Kugel am Zapfen federnd abgestützt ist.
Aus der DE 1 575 828 B ist eine homokinetische Gelenkwellenkupplung bekannt mit Steuerung des Kugelkäfigs bzw. der Kugeln mittels eines Steuerglieds.
Aus der DE 37 39 867 A1 ist ein Gleichlaufdrehgelenk bekannt, an dessen Gelenkaußenteil ein Anschlussteil angeschweißt ist. Es ist eine Stützkalotte vorgesehen, die über eine axial wirkende Feder am Anschlussteil abgestützt ist und mittels der eine Spieleinstellung zwischen innerem und äußerem Gelenkkörper erfolgen kann. Die Rillenpaare des Gelenks öffnen sich in Richtung Anschlussteil.
Aus der US 3 678 706 A ist ein Gleichlaufverschiebegelenk mit Feder-Dämpfer-Mechanismen zur mittigen Zentrierung des Gelenkinnenteils relativ zum Gelenkaußenteil bekannt. Eine erste Feder wirkt zwischen einem kalottenförmigen Lagerkörper und einem am Gelenkaußenteil abgestützten Führungselement. Eine in der mit dem Gelenkinnenteil verbundenen Welle einsitzende zweite Feder beaufschlagt einen Zapfen gegen einen Sicherungsring, der als Anschlag wirkt.
Bei einem gebeugt umlaufenden Gleichlaufdrehgelenk der genannten Art treten innere Reibungskräfte auf, die zum einen durch die mit Umlauffrequenz in den Bahnpaaren hin- und herlaufenden Kugeln erzeugt werden, zum anderen durch Reibungskräfte zwischen dem Gelenkaußenteil bzw. dem Gelenkinnenteil und dem jeweils relativ zu diesen betrachtet sich mit Umlauffrequenz taumelnd bewegenden Kugelkäfig.
Bei dem vorstehend genannten Gleichlaufdrehgelenk wird zwar Reibung zwischen dem Kugelkäfig und dem Gelenkinnenteil vermieden, dafür entsteht jedoch ein Reibungsmoment durch die gleitende Bewegung zwischen dem genannten Zapfen und in der innenkugeligen Abstützfläche im Gelenkaußenteil, die sich bezüglich letzterem als Kreisbewegung darstellt, die von einer Drehbewegung überlagert ist. Die Summe der von diesen Reibungskräften erzeugten Momente wird als Schleppmoment des Gelenks bezeichnet, das also aufzubringen ist, um das gebeugt eingestellte Gelenk ohne Gegenmoment auf der Abtriebsseite anzutreiben bzw. durchzudrehen.
Bei dem obengenannten Gleichlaufdrehgelenk ist das von der Reibung des genannten Abstützzapfens genannte Reibungsmoment erheblich und erhöht somit das Schleppmoment in nachteiliger Weise. Es wird nachfolgend auch als Abstützschleppmoment bezeichnet.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein spielfreies Gleichlaufdrehgelenk der genannten Art so weiterzubilden, dass es ein reduziertes Schleppmoment aufweist. Die Lösung hierfür ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur federnden Abstützung einen Zapfen umfassen, der koaxial zum Gelenkaußenteil geführt oder angeordnet ist und dass der Abstand x eines Kontaktbereiches T der gegenseitigen Abstützung von Gelenkinnenteil und Gelenkaußenteil vom Gelenkmittelpunkt M kleiner gleich dem halben Außendurchmesser D/2 des Kugelkäfigs ist, wobei von den sich im Kontaktbereich T in gegenseitigem Kontakt befindlichen Flächen die eine ballig und die andere eben ist. Mit den hiermit angegebenen Mitteln wird das Reibungsmoment der axialen Abstützung reduziert, indem der Hebelarm R, mit dem die Reibungskraft F bei Drehung des Gelenks angreift, wesentlich reduziert wird. Ein Gleichlaufdrehgelenk der hiermit genannten Art ist insbesondere als Lenkungsgelenk, d.h. also im Einsatz in der Lenksäule eines Kraftfahrzeuges besonders geeignet, bei dem Spielfreiheit und geringes Schleppmoment gleichermaßen bedeutsam sind.
Besonders vorteilhaft ist an der gewählten Ausführung, dass die Grundkonstruktion des Gelenks im Wesentlichen unverändert bleibt, und die zur federnden axialen Abstützung eingesetzten Elemente nach Ausführen entsprechender Bohrungen im Gelenkaußenteil und/oder im Gelenkinnenteil bzw. in einer in dieses eingesteckten Antriebswelle ergänzt werden können, ohne dass die Gelenkfunktionen beeinträchtigt werden.
In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand x kleiner gleich dem halben Innendurchmesser d/2 des Kugelkäfigs in der Gelenkmittelebene E ist, insbesondere dass der Abstand x kleiner gleich dem halben Außendurchmesser Di/2 des Gelenkinnenteils ist. Hiermit wird das genannte Abstützschleppmoment in zunehmendem Ausmaß reduziert. Das genannte Abstützschleppmoment kann praktisch vernachlässigt werden, wenn in einer besonderen Ausführungsform der Abstand x zu Null gesetzt wird.
Während es grundsätzlich verstanden werden soll, dass der Abstand x von der Gelenkmitte zum Boden bzw. Deckel des Gelenkaußenteils hin angetragen wird, jedoch in jedem Fall kleiner als bei bekannten Gelenken gewählt wird, ist es in einer abgewandelten Ausführungsform auch möglich, dass der Abstand vom Gelenkmittelpunkt in Richtung zur Öffnungsseite des Gelenkaußenteil angetragen wird.
Erfindungsgemäß ist von den sich im Kontaktbereich T gegenseitig in Anlage befindlichen Flächen eine ballig, insbesondere außensphärisch, und die andere radial eben ausgebildet. Hierbei ergibt sich quasi ein Punktkontakt. Nach einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform können die im Kontaktbereich T gegenseitig in Anlage befindlichen Flächen einerseits als ballige Fläche, insbesondere als Außensphäre, andererseits als Hohlfläche, insbesondere als Innensphäre ausgebildet sein. Nach einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es auch möglich, dass beide genannten Flächen als ballige, insbesondere als außensphärische Flächen ausgeführt werden. Hiermit ist anstelle eines Flächenkontakts quasi ein Punktkontakt möglich, mit dem der Reibungsanteil der Relativdrehung reduziert werden kann.
Nach einer ersten konstruktiven Ausgestaltungsform ist vorgesehen, dass das Gelenkaußenteil einen Boden oder Deckel umfasst, in dem ein federnd abgestützter Zapfen koaxial geführt ist, und dass am Gelenkinnenteil eine stirnseitige ballige Stützfläche ausgebildet ist, an der der Zapfen mit Vorspannung anliegt.
Hierbei wird vorgeschlagen, dass die Stützfläche an einem Stützkörper ausgebildet ist, der mit dem Gelenkinnenteil fest verbunden ist.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Stützfläche an einem Stützkörper ausgebildet ist, der in eine in das Gelenkinnenteil eingesteckte Antriebswelle eingesetzt ist.
Eine alternative konstruktive Ausführungsform geht dahin, dass das Gelenkaußenteil einen Boden oder Deckel umfasst, in dem ein koaxial geführter Zapfen federnd abgestützt ist, und dass am Gelenkinnenteil eine axial innerhalb der inneren Kugelbahnen liegende Stützfläche ausgebildet ist, an der der Zapfen mit Vorspannung anliegt. Die Stützfläche kann in großer Nähe zum Gelenkmittelpunkt angeordnet werden. Hierbei kann die Stützfläche in einer ersten Ausführung ballig sein, wobei ihr Scheitelpunkt insbesondere etwa im Gelenkmittelpunkt liegt, während die Stützfläche nach einer zweiten Ausführung kalottenförmig sein kann, wobei ihr Krümmungsmittelpunkt insbesondere etwa im Gelenkmittelpunkt liegt.
Zur konstruktiven Vereinfachung kann hierbei vorgesehen werden, dass die vorgenannte Stützfläche unmittelbar an einer in das Gelenkinnenteil eingesteckten Antriebswelle ausgebildet ist.
Um große Winkelbewegungen zuzulassen, ist vorgesehen, dass sich die Antriebswelle und gegebenenfalls das Gelenkinnenteil von der Stützfläche zum Zapfen hin axial innenkegelig erweitern.
Eine weitere konstruktive Ausgestaltungsform geht dahin, dass das Gelenkaußenteil einen Boden oder Deckel umfasst, in dem ein koaxialer Zapfen fest eingesetzt ist, und dass am Gelenkinnenteil ein federnd abgestützter Stützkörper koaxial geführt ist, der mit einer Stützfläche mit Vorspannung am Zapfen anliegt.
Hierzu wird vorgeschlagen, dass das Stützteil unmittelbar in einer in das Gelenkinnenteil eingesetzten Antriebswelle geführt ist und sich federnd, insbesondere über eine Schraubendruckfeder in der Antriebswelle abstützt.
Auch hierzu wird vorgeschlagen, dass sich die Antriebswelle und gegebenenfalls das Gelenkinnenteil vom Stützkörper zum Zapfen hin innenkonisch erweitern. Konstruktiv günstig ist es hierbei wiederum, dass der Zapfen und der Stützkörper jeweils ballige, insbesondere außensphärische Kontakt- bzw. Stützflächen aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass der Zapfen eine ballige, insbesondere außensphärische Kontaktfläche und der Stützkörper eine ebene radiale Stützfläche hat.
Auch hierzu wird vorgeschlagen, dass die Antriebswelle am das Stützteil aufnehmenden Stirnende innenkonisch erweitert ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.

1 zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk in einer ersten Ausführung
1. a) im Längsschnitt in gestreckter Stellung
2. b) im Längsschnitt in abgewinkelter Stellung
3. c) in der vergrößerten Einzelheit X nach Darstellung b;
2 zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk in einer zweiten Ausführung
1. a) im Längsschnitt in gestreckter Stellung
2. b) im Längsschnitt in abgewinkelter Stellung
3. c) in der vergrößerten Einzelheit X nach Darstellung b;
4. d) in der vergrößerten Einzelheit Y nach Darstellung c;
3 zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk in einer dritten Ausführung
1. a) im Längsschnitt in gestreckter Stellung
2. b) im Längsschnitt in abgewinkelter Stellung
3. c) in der vergrößerten Einzelheit X nach Darstellung b;
4. d) in der vergrößerten Einzelheit Y nach Darstellung c;
4 zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk in einer vierten Ausführung
1. a) im Längsschnitt in gestreckter Stellung
2. b) in der vergrößerten Einzelheit X nach Darstellung a;
3. c) in der vergrößerten Einzelheit Y nach Darstellung b;

Die einzelnen Darstellungen der 1 werden nachstehend gemeinsam beschrieben, sofern nicht auf einzelne Darstellungen besonders verwiesen wird.
Die Figur zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk 11 in sogenannter Monoblockbauweise, bei dem an einem Gelenkaußenteil 12 ein Boden 13 und ein Wellenzapfen 14 einstückig angeformt sind. Der Boden oder ein Deckel könnte auch als separates Teil angesetzt und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt oder verschraubt sein. Im Gelenkaußenteil 12 sind längsverlaufende umfangsverteilte äußere Kugelbahnen 15 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt von einer Gelenkmittelebene E aus axial zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Das Gelenk umfasst weiterhin ein Gelenkinnenteil 17, in das eine Antriebswelle 18 eingesteckt ist, wobei die Teile (17, 18) über Wellenverzahnungen drehfest miteinander verbunden sind und darüber hinaus axial gegeneinander gesichert sind. Am Gelenkinnenteil 17 sind längsverlaufende umfangsverteilte innere Kugelbahnen 19 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt gegenüber der Gelenkmittelebene E in Richtung zum Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 15 und innere Kugelbahnen 19 bilden Bahnpaare und erweitern sich hiernach in Richtung vom Boden 13 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils. Jeweils Bahnpaare aus äußeren Kugelbahnen 15 und inneren Kugelbahnen 19 nehmen eine drehmomentübertragende Kugel 31 auf. Die Kugeln werden von einem ringförmigen Kugelkäfig 22, der zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 17 einsitzt, mit ihren Kugelmittelpunkten K in der Gelenkmittelebene E gehalten und bei Beugung des Gelenks auf die winkelhalbierende Ebene geführt. Die Kugeln 31 sind hierbei in umfangsverteilten Käfigfenstern 23 im Kugelkäfig 22 aufgenommen. Der Kugelkäfig 22 hat eine kugelige Außenfläche 24, die im Wesentlichen spielfrei in einer innenkugeligen Führungsfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 geführt wird. Die Innenfläche 25 des Kugelkäfigs 22 weist dagegen Spiel gegenüber einer Außenfläche 21 des Gelenkinnenteils 17 auf. Die äußeren und inneren Kugelbahnen werden jeweils durch eine Kreisbogenform beschrieben, so dass das Gelenk ein Rzeppa-Gelenk der Bauart AC (angular contact) ist.
In den Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 ist ein koaxial zur Längsachse A12 geführter Zapfen 36 eingesetzt, der in einer Bohrung 37 geführt ist, die bis in den Wellenzapfen 14 reicht. Der Zapfen 36 stützt sich über eine Schraubendruckfeder 38 im Wellenzapfen 14 und damit gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 ab. Der Zapfen 36 hat eine halbkugelige Kontaktfläche 39. Dem Zapfen 36 gegenüberliegend befindet sich am Gelenkinnenteil 17 ein Stützkörper 41, der sich mit einer Anlagefläche 42 an einer Stirnfläche 26 des Gelenkinnenteils 17 abstützt. Der Stützkörper 41 ist mit einem Ansatz 44 in eine innenzylindrische Bohrung 27 der Antriebswelle 18 eingesetzt. Der Stützkörper 41 bildet eine außenkugelige Abstützfläche 43, auf die der Zapfen 36 mittels der Kontaktfläche 39 mit der Kraft F unter Vorspannung einwirkt. Wie in Darstellung b zu erkennen ist, liegt ein Kontaktbereich T zwischen dem Zapfen 36 und dem Stützkörper 41 aufgrund der koaxialen Anordnung des Zapfens im Gelenkaußenteil immer nahe der Längsachse A12 des Gelenkaußenteils, wandert jedoch bei Abwinklung der Längsachse A18 des Gelenkinnenteils um einen Gelenkbeugewinkel β um den gleichen Winkel β von der Längsachse L18 auf der Kugeloberfläche der Abstützfläche 43 des Stützkörpers 41. Der erfindungsgemäße Abstand x des Kontaktbereiches T vom Gelenkmittelpunkt M ist bei kugeliger Form der Abstützfläche 43 gleichbleibend und in jedem Fall kleiner als der Radius D/2 der kugeligen Außenfläche 24 des Kugelkäfigs, vorzugsweise kleiner als der Rollkreisradius D_K/2 der Kugeln und insbesondere kleiner als der Radius d/2 der Innenfläche 25 des Kugelkäfigs. Der Hebelarm R, der mit der Kraft F in die Berechnung eines Abstützschleppmomentes gegen die freie Drehung des Gelenkes in gebeugter Stellung eingeht, nimmt mit dem Gelenkbeugewinkel β zu. Wenn die Abstützfläche 43 abweichend gestaltet ist, beispielsweise als Ellipsoid, ändert sich bei Abwinkelung aufgrund der veränderlichen Einfederung der Schraubendruckfeder 38 die Kraft F ebenso wie die Abhängigkeit des Hebelarms R vom Winkel β, da der Hebelarm R dann keine reine Sinusfunktion mehr von β ist.
In dem hier dargestellten Normalfall ist jedoch die Abstützfläche 43 kugelig, so dass x ebenso konstant bleibt wie F. Die vorgespannte Schraubendruckfeder 38 und damit der Zapfen 36 verschiebt das Gelenkinnenteil 17 mittelbar über den Stützkörper 41 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin, wodurch die inneren Kugelbahnen 19 ebenfalls zur Öffnung hin auf die Kugeln 31 einwirken. Die Kugeln 31 stützen sich hierbei in den Käfigfenstern 23 ebenfalls zur Öffnung hin ab, wodurch sich der Kugelkäfig 22 seinerseits mit seiner sphärischen Außenfläche 24 in der innenkugeligen Innenfläche 20 des Gelenkaußenteils axial abstützt. Auf diese Weise ist das Gelenk spielfrei. Gegenüber bekannten Gelenken ist der axiale Abstand x des Kontaktpunktes T vom Gelenkmittelpunkt M deutlich verkürzt, so dass bei gebeugtem Gelenk der Hebelarm R, der in das Abstützschleppmoment gegen freie Drehung eingeht, ebenfalls klein ist.
Die einzelnen Darstellungen der 2 werden nachstehend gemeinsam beschrieben, sofern nicht auf einzelne Darstellungen besonders verwiesen wird.
Die Figur zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk 11 in sogenannter Monoblockbauweise, bei dem an einem Gelenkaußenteil 12 ein Boden 13 und ein Wellenzapfen 14 einstückig angeformt sind. Der Boden oder ein Deckel könnte auch als separates Teil angesetzt und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt oder verschraubt sein. Im Gelenkaußenteil 12 sind längsverlaufende umfangsverteilte äußere Kugelbahnen 15 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt von einer Gelenkmittelebene E aus axial zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Das Gelenk umfasst weiterhin ein Gelenkinnenteil 17, in das eine Antriebswelle 18 eingesteckt ist, wobei die Teile (17, 18) über Wellenverzahnungen drehfest miteinander verbunden sind und darüber hinaus axial gegeneinander gesichert sind. Am Gelenkinnenteil 17 sind längsverlaufende umfangsverteilte innere Kugelbahnen 19 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt gegenüber der Gelenkmittelebene E in Richtung zum Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist.
Einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 15 und innere Kugelbahnen 19 bilden Bahnpaare und erweitern sich hiernach in Richtung vom Boden 13 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils. Jeweils Bahnpaare aus äußeren Kugelbahnen 15 und inneren Kugelbahnen 19 nehmen eine drehmomentübertragende Kugel 31 auf. Die Kugeln werden von einem ringförmigen Kugelkäfig 22, der zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 17 einsitzt, mit ihren Kugelmittelpunkten K in der Gelenkmittelebene E gehalten und bei Beugung des Gelenks auf die winkelhalbierende Ebene geführt. Die Kugeln 31 sind hierbei in umfangsverteilten Käfigfenstern 23 im Kugelkäfig 22 aufgenommen. Der Kugelkäfig 22 hat eine kugelige Außenfläche 24, die im Wesentlichen spielfrei in einer innenkugeligen Führungsfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 geführt wird. Die Innenfläche 25 des Kugelkäfigs 22 weist dagegen Spiel gegenüber einer Außenfläche 21 des Gelenkinnenteils 17 auf. Die äußeren und inneren Kugelbahnen werden jeweils durch eine Kreisbogenform beschrieben, so dass das Gelenk ein Rzeppa-Gelenk der Bauart AC (angular contact) ist.
In den Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 ist ein koaxial zur Längsachse A12 geführter Zapfen 36₂ eingesetzt, der in einer Bohrung 37 geführt ist, die bis in den Wellenzapfen 14 reicht. Der Zapfen 36 stützt sich über eine Schraubendruckfeder 38 im Wellenzapfen 14 und damit gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 ab. Der Zapfen 36 hat eine halbkugelige Kontaktfläche 39₂ . Dem Zapfen 36₂ gegenüberliegend befindet sich am Gelenkinnenteil 17 und der in dieses eingesteckten Antriebswelle 18 eine innenkonische Erweiterung 28. Am Grund der Erweiterung 28 ist eine außenkugelige Abstützfläche 43₂ mit geringem Radius ausgebildet, auf die der Zapfen 36₂ mittels der Kontaktfläche 39₂ mit der Kraft F unter Vorspannung einwirkt. Wie in Darstellung d zu erkennen ist, liegt ein Kontaktbereich T zwischen dem Zapfen 36₂ und der Abstützfläche 43₂ aufgrund der koaxialen Anordnung des Zapfens im Gelenkaußenteil immer nahe der Längsachse A12 des Gelenkaußenteils, wandert jedoch bei Abwinklung der Längsachse A18 des Gelenkinnenteils um einen Gelenkbeugewinkel β um den gleichen Winkel β von der Längsachse A 18 auf der kugeligen Abstützfläche 43₂ . Der erfindungsgemäße Abstand x des Kontaktbereich T vom Gelenkmittelpunkt M ist in diesem Fall gleich null. Der Hebelarm R, der mit der Kraft F in die Berechnung eines Abstützschleppmomentes gegen die freie Drehung des Gelenkes in gebeugter Stellung eingeht, ist damit zu vernachlässigen.
Die vorgespannte Druckfeder 38 und damit der Zapfen 36₂ verschiebt das Gelenkinnenteil 17 mittelbar über die Antriebswelle 18 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin, wodurch die inneren Kugelbahnen 19 ebenfalls zur Öffnung hin auf die Kugeln 31 einwirken. Die Kugeln 31 stützen sich hierbei in den Käfigfenstern 23 ebenfalls zur Öffnung hin ab, wodurch sich der Kugelkäfig 22 seinerseits mit seiner sphärischen Außenfläche 24 in der innenkugeligen Innenfläche 20 des Gelenkaußenteils axial abstützt. Auf diese Weise ist das Gelenk spielfrei. Wie ausgeführt, ist der axiale Abstand x des Kontaktpunktes T vom Gelenkmittelpunkt M gleich null, so dass bei gebeugtem Gelenk der Hebelarm R, der in das Abstützschleppmoment gegen freie Drehung eingeht, zu vernachlässigen ist.
Die einzelnen Darstellungen der 3 werden nachstehend gemeinsam beschrieben, sofern nicht auf einzelne Darstellungen besonders verwiesen wird.
Die Figur zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk 11 in sogenannter Monoblockbauweise, bei dem an einem Gelenkaußenteil 12 ein Boden 13 und ein Wellenzapfen 14 einstückig angeformt sind. Der Boden oder ein Deckel könnte auch als separates Teil angesetzt und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt oder verschraubt sein. Im Gelenkaußenteil 12 sind längsverlaufende umfangsverteilte äußere Kugelbahnen 15 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt von einer Gelenkmittelebene E aus axial zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Das Gelenk umfasst weiterhin ein Gelenkinnenteil 17, in das eine Antriebswelle 18 eingesteckt ist, wobei die Teile (17, 18) über Wellenverzahnungen drehfest miteinander verbunden sind und darüber hinaus axial gegeneinander gesichert sind. Am Gelenkinnenteil 17 sind längsverlaufende umfangsverteilte innere Kugelbahnen 19 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt gegenüber der Gelenkmittelebene E in Richtung zum Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist.
Einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 15 und innere Kugelbahnen 19 bilden Bahnpaare und erweitern sich hiernach in Richtung vom Boden 13 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils. Jeweils Bahnpaare aus äußeren Kugelbahnen 15 und inneren Kugelbahnen 19 nehmen eine drehmomentübertragende Kugel 31 auf. Die Kugeln werden von einem ringförmigen Kugelkäfig 22, der zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 17 einsitzt, mit ihren Kugelmittelpunkten K in der Gelenkmittelebene E gehalten und bei Beugung des Gelenks auf die winkelhalbierende Ebene geführt. Die Kugeln 31 sind hierbei in umfangsverteilten Käfigfenstern 23 im Kugelkäfig 22 aufgenommen. Der Kugelkäfig hat eine kugelige Außenfläche 24, die im Wesentlichen spielfrei in einer innenkugeligen Führungsfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 geführt wird. Die Innenfläche 25 des Kugelkäfigs 22 weist dagegen Spiel gegenüber einer Außenfläche 21 des Gelenkinnenteils 17 auf. Die äußeren und inneren Kugelbahnen werden jeweils durch eine Kreisbogenform beschrieben, so dass das Gelenk ein Rzeppa-Gelenk der Bauart AC (angular contact) ist.
In den Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 ist ein koaxial zur Längsachse A12 geführter Zapfen 36₃ eingesetzt, der in einer Bohrung 37 geführt ist, die bis in den Wellenzapfen 14 reicht. Der Zapfen 36₃ stützt sich über eine Schraubendruckfeder 38 im Wellenzapfen 14 und damit gegenüber dem Gelenkaußenteil 12 ab. Der Zapfen 36 hat eine halbkugelige Kontaktfläche 39₃ . Dem Zapfen 36₃ gegenüberliegend befindet sich am Gelenkinnenteil und der in dieses eingesteckten Antriebswelle 18 eine konische Erweiterung 28. Am Grund der Erweiterung befindet sich eine innenkugelige kalottenförmige Abstützfläche 43₃ , auf die der Zapfen 36₃ mittels der Kontaktfläche 39₃ mit der Kraft F unter Vorspannung einwirkt. Wie in Darstellung d zu erkennen ist, liegt ein Kontaktbereich T zwischen dem Zapfen 36₃ und der Abstützfläche 43₃ aufgrund der koaxialen Anordnung des Zapfens im Gelenkaußenteil immer nahe der Längsachse A12 des Gelenkaußenteils, wandert jedoch bei Abwinklung der Längsachse A18 des Gelenkinnenteils um einen Gelenkbeugewinkel β, um den gleichen Winkel β von der Längsachse A 18 auf der Kugeloberfläche 43 des Stopfens 41. Der erfindungsgemäße Abstand x des Kontaktbereiches T vom Gelenkmittelpunkt M ist in diesem Fall zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils hin angetragen. Der Hebelarm R, der mit der Kraft F in die Berechnung eines Abstützschleppmomentes gegen die freie Drehung des Gelenkes in gebeugter Stellung eingeht, ist hierbei sehr klein.
Die vorgespannte Druckfeder 38 und damit der Zapfen 36₃ verschiebt das Gelenkinnenteil 17 mittelbar über die Antriebswelle 18 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin, wodurch die inneren Kugelbahnen 19 ebenfalls zur Öffnung hin auf die Kugeln 31 einwirken. Die Kugeln stützen sich hierbei in den Käfigfenstern 23 ebenfalls zur Öffnung hin ab, wodurch sich der Kugelkäfig 22 seinerseits mit seiner sphärischen Außenfläche 24 in der innenkugeligen Innenfläche 20 des Gelenkaußenteils axial abstützt. Auf diese Weise ist das Gelenk spielfrei. Gegenüber bekannten Gelenken ist der axiale Abstand x des Kontaktpunktes T vom Gelenkmittelpunkt M deutlich verkürzt, so dass bei gebeugtem Gelenk der Hebelarm R, der in das Abstützschleppmoment gegen freie Drehung eingeht, ebenfalls klein ist.
Die einzelnen Darstellungen der 4 werden nachstehend gemeinsam beschrieben, sofern nicht auf einzelne Darstellungen besonders verwiesen wird.
Die Figur zeigt ein Gleichlaufdrehgelenk 11 in sogenannter Monoblockbauweise, bei dem an einem Gelenkaußenteil 12 ein Boden 13 und ein Wellenzapfen 14 einstückig angeformt sind. Der Boden oder ein Deckel könnte auch als separates Teil angesetzt und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt oder verschraubt sein. Im Gelenkaußenteil 12 sind längsverlaufende umfangsverteilte äußere Kugelbahnen 15 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt von einer Gelenkmittelebene E aus axial zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist. Das Gelenk umfasst weiterhin ein Gelenkinnenteil 17, in das eine Antriebswelle 18 eingesteckt ist, wobei die Teile (17, 18) über Wellenverzahnungen drehfest miteinander verbunden sind und darüber hinaus axial gegeneinander gesichert sind. Am Gelenkinnenteil 17 sind längsverlaufende umfangsverteilte innere Kugelbahnen 19 ausgeformt, deren Krümmungsmittelpunkt gegenüber der Gelenkmittelebene E in Richtung zum Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 hin versetzt ist.
Einander zugeordnete äußere Kugelbahnen 15 und innere Kugelbahnen 19 bilden Bahnpaare und erweitern sich hiernach in Richtung vom Boden 13 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils. Jeweils Bahnpaare aus äußeren Kugelbahnen 15 und inneren Kugelbahnen 19 nehmen eine drehmomentübertragende Kugel 31 auf. Die Kugeln werden von einem ringförmigen Kugelkäfig 22, der zwischen Gelenkaußenteil 12 und Gelenkinnenteil 17 einsitzt, mit ihren Kugelmittelpunkten K in der Gelenkmittelebene E gehalten und bei Beugung des Gelenks auf die winkelhalbierende Ebene geführt. Die Kugeln 31 sind hierbei in umfangsverteilten Käfigfenstern 23 im Kugelkäfig 22 aufgenommen. Der Kugelkäfig hat eine kugelige Außenfläche 24, die im Wesentlichen spielfrei in einer innenkugeligen Führungsfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 geführt wird. Die Innenfläche 25 des Kugelkäfigs 22 weist dagegen Spiel gegenüber einer Außenfläche 21 des Gelenkinnenteils 17 auf. Die äußeren und inneren Kugelbahnen werden jeweils durch eine Kreisbogenform beschrieben, so dass das Gelenk ein Rzeppa-Gelenk der Bauart AC (angular contact) ist.
In den Boden 13 des Gelenkaußenteils 12 ist ein koaxial zur Längsachse A12 angeordneter Zapfen 36₄ fest eingesetzt. Der Zapfen 36₄ hat eine halbkugelige Kontaktfläche 39₄ . Dem Zapfen 36₄ gegenüberliegend befindet sich am Gelenkinnenteil ein Stützkörper 41₄ , der in einer Bohrung 29 geführt ist und sich über eine Schraubendruckfeder 30 in der Antriebswelle 18 und damit gegenüber dem Gelenkinnenteil 17 abstützt. Der Stützkörper 41₄ bildet eine außenkugelige Abstützfläche 43₄ , die auf den Zapfen 36₄ über die Kontaktfläche 39₄ mit der Kraft F unter Vorspannung einwirkt. Wie in Darstellung b zu erkennen ist, liegt ein Kontaktbereich T zwischen dem Zapfen 36₄ und dem Stützkörper 41₄ in der Gelenkmittelebene E. Während in den Darstellungen a und b die Abstützfläche 43₄ ebenso wie die Kontaktfläche 39₄ ballig ist, ist in der Einzelheit Y nach Darstellung c eine radial ebene Abstützfläche 43₄ ' gezeigt, die mit einer balligen Kontaktfläche 39₄ zusammenwirkt. Der erfindungsgemäße Abstand x des Kontaktbereiches T vom Gelenkmittelpunkt M ist somit wieder gleich null. Der Hebelarm R, der mit der Kraft F in die Berechnung eines Abstützschleppmomentes gegen die freie Drehung des Gelenkes in gebeugter Stellung eingeht, ist damit zu vernachlässigen.
Die vorgespannte Schraubendruckfeder 30 verschiebt das Gelenkinnenteil 17 mittelbar über die Antriebswelle 18 zur Öffnung 16 des Gelenkaußenteils 12 hin, wodurch die inneren Kugelbahnen 19 ebenfalls zur Öffnung hin auf die Kugeln 31 einwirken. Die Kugeln stützen sich hierbei in den Käfigfenstern 23 ebenfalls zur Öffnung hin ab, wodurch sich der Kugelkäfig 22 seinerseits mit seiner sphärischen Außenfläche 24 in der innenkugeligen Innenfläche 20 des Gelenkaußenteils 12 axial abstützt. Auf diese Weise ist das Gelenk spielfrei. Wie ausgeführt, ist der axiale Abstand x des Kontaktpunktes T vom Gelenkmittelpunkt M gleich null, so dass bei gebeugtem Gelenk der Hebelarm R, der in das Abstützschleppmoment gegen freie Drehung eingeht, zu vernachlässigen ist.
In allen Ausführungsbeispielen sollen die Kugeln vorzugsweise pressungsfrei in den Käfigfenstern verbaut sein.
Bezugszeichenliste

11: Gleichlaufdrehgelenk
12: Gelenkaußenteil
13: Boden
14: Wellenzapfen
15: äußere Kugelbahn
16: Öffnung (12)
17: Gelenkinnenteil
18: Antriebswelle
19: innere Kugelbahn
20: kugelige Innenfläche (12)
21: Außenfläche (17)
22: Kugelkäfig
23: Käfigfenster
24: kugelige Außenfläche (22)
25: Innenfläche (22)
26: Stirnfläche
27: Bohrung
28: Erweiterung
29: Bohrung
30: Schraubendruckfeder
31: Kugel
36: Zapfen
37: Bohrung
38: Schraubendruckfeder
39: Kontaktfläche
41: Stützkörper
42: Anlagefläche
43: Abstützfläche
44: Ansatz
x: Abstand
R: Hebelarm
F: Kraft
T: Kontaktbereich
A12: Längsachse (12)
A₁₈: Längsachse (18)
A₂₂: Längsachse (22)
M: Gelenkmittelpunkt
K: Kugelmittelpunkt
E: Gelenkmittelebene

Claims

Gleichlaufdrehgelenk (11) umfassend ein Gelenkaußenteil (12) mit umfangsverteilten äußeren Kugelbahnen (15), ein Gelenkinnenteil (17) mit umfangsverteilten inneren Kugelbahnen (19), drehmomentübertragende Kugeln (31), die in Bahnpaaren aus einander zugeordneten äußeren und inneren Kugelbahnen (15, 19) einsitzen, sowie einen ringförmigen Kugelkäfig (22) der zwischen Gelenkaußenteil (12) und Gelenkinnenteil (17) einsitzt und umfangsverteilte Käfigfenster (23) aufweist, in denen die drehmomentübertragenden Kugeln (31) in einer gemeinsamen Ebene (E) gehalten werden, wobei sich die Bahnpaare zumindest zu einem Teil bei gestrecktem Gelenk in einer übereinstimmenden axialen Richtung erweitern, der Kugelkäfig (22) sich axial im Gelenkaußenteil (12) abstützt, und das Gelenkinnenteil (17) axiales Spiel gegenüber dem Kugelkäfig (22) hat und wobei Mittel zur federnden Abstützung des Gelenkinnenteils (17) gegenüber dem Gelenkaußenteil (12) vorgesehen sind, die auf das Gelenkinnenteil (17) im Verhältnis zum Gelenkaußenteil (12) in derselben Richtung einwirken, in der sich die Bahnpaare erweitern, wobei die Mittel zur federnden Abstützung einen Zapfen (36) umfassen, der koaxial zum Gelenkaußenteil (12) geführt oder angeordnet ist, und wobei der Abstand x eines Kontaktbereiches T der gegenseitigen Abstützung von Gelenkinnenteil (17) und Gelenkaußenteil (12) vom Gelenkmittelpunkt M kleiner gleich dem halben Außendurchmesser D/2 des Kugelkäfigs (22) ist, und wobei von den sich im Kontaktbereich T in gegenseitigem Kontakt befindlichen Flächen (39, 43) die eine ballig und die andere eben ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand x kleiner gleich dem halben Innendurchmesser d/2 des Kugelkäfigs (22) in der Gelenkmittelebene E ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand x kleiner gleich dem halben Außendurchmesser Di/2 des Gelenkinnenteils (17) ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand x gleich Null ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand x vom Gelenkmittelpunkt M aus in der Richtung angetragen ist, in der sich die Bahnpaare öffnen.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich T konzentrisch zur Längsachse A12 des Gelenkaußenteils (12) angeordnet ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkaußenteil (12) einen Boden (13) oder Deckel umfasst, in dem der Zapfen (36) koaxial geführt und federnd abgestützt ist, und dass am Gelenkinnenteil (17) eine stirnseitige ballige Stützfläche (43) ausgebildet ist, an der der Zapfen (36) mit Vorspannung anliegt.
Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche (43) an einem Stützkörper (41) ausgebildet ist, der mit dem Gelenkinnenteil (17) fest verbunden ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche (43) an einem Stützkörper (41) ausgebildet ist, der in eine in das Gelenkinnenteil (17) eingesteckte Antriebswelle (18) eingesetzt ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkaußenteil (12) einen Boden (13) oder Deckel umfasst, in dem der Zapfen (36₂, 36₃) koaxial geführt und federnd abgestützt ist, und dass am Gelenkinnenteil (17) eine axial innerhalb der Kugelbahnen (19) liegende Stützfläche (43₂, 43₃) ausgebildet ist, an der der Zapfen (36₂, 36₃) mit Vorspannung anliegt.
Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche (43₂) ballig ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche (43₂, 43₃) unmittelbar an einer in das Gelenkinnenteil (17) eingesteckten Antriebswelle (18) ausgebildet ist.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Antriebswelle (18) von der Stützfläche (43₂, 43₃) zum Zapfen (36₂, 36₃) hin axial innenkegelig erweitert.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkaußenteil (12) einen Boden (13) oder Deckel umfasst, in dem der koaxiale Zapfen (36₄) fest eingesetzt ist, und dass im Gelenkinnenteil (17) ein federnd abgestützter Stützkörper (41₄) koaxial geführt ist, der mit einer Stützfläche (43₄) mit Vorspannung am Zapfen (36₄) anliegt.
Gleichlaufdrehgelenk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (36₄) eine ballige Kontaktfläche (39₄) und der Stützkörper (41₄) eine ebene Stützfläche (43₄) aufweist.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (41₄) unmittelbar in einer in das Gelenkinnenteil (17) eingesetzten Antriebswelle (18) koaxial geführt ist und sich federnd in der Antriebswelle (18) abstützt.
Gleichlaufdrehgelenk nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Antriebswelle (18) vom Stützkörper (41₄) zum Zapfen (36₄) hin innenkonisch erweitert.