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Die
Erfindung betrifft eine insbesondere drehbare Wellenkomponente mit
Längsausgleich umfassend
ein inneres und ein äußeres Wellenteil. Die
beiden Wellenteile sind in einer axialen Richtung gegeneinander
verschiebbar und mittels einer ein Drehmoment übertragenden Verbindung miteinander gekoppelt.
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Eine
derartige Wellenkomponente kommt beispielsweise bei einer Antriebswelle
zum Einsatz. Sie kann insbesondere Bestandteil einer Gelenkwelle
sein, die z.B. zur Kraftübertragung
auf die Treibräder
einer Lokomotive oder eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Neben
der Drehmomentübertragung
ist hierbei auch eine lineare Ausgleichsmöglichkeit in Längsrichtung,
also in Richtung der Drehachse, erforderlich.
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Bei
bekannten Wellenkomponenten erfolgt der Längsausgleich mittels drehbar
an einem der beiden Wellenteile gelagerter Laufrollen. Letztere
rollen auf Laufflächen,
die an einer Wand des anderen Wellenteils vorgesehen sind.
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Eine
derartige Wellenkomponente ist beispielsweise in der
DE 27 05 331 A1 beschrieben.
An der Oberfläche
des inneren Wellenteils sind Längsnuten
eingebracht, deren Nutseitenwände
die Laufflächen
für die
am äußeren Wellenteil
gelagerten Laufrollen bilden. Um die Funktionsfähigkeit, insbesondere die Drehmomentübertragung,
entsprechend den zum Teil hohen Anforderungen sicherzustellen, müssen die
Lagerungen der Laufrollen und die Längsnuten sehr präzise hergestellt
werden. Dies ist mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden. Außerdem ist
eine relativ dicke Wand für
das äußere Wellenteil
erforderlich, um die Laufrollen zu lagern. Die dicke Wand führt zu einem
kostenträchtigen
hohen Materialbedarf und darüber
hinaus zu einem hohen Gewicht der Wellenkomponente.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Wellenkomponente der
eingangs bezeichneten Art anzugeben, die sich kostengünstiger
herstellen lässt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Wellenkomponente entsprechend den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei der erfindungsgemäßen Wellenkomponente
umfasst das äußere Wellenteil
einen im Wesentlichen hohlzylindrischen ersten Kopplungsabschnitt
mit einer Innenmantelfläche, an
der in axialer Richtung verlaufende separat ausgebildete erste Laufbahnsegmente
befestigt sind, die an zwei einander gegenüberliegenden Längsseiten jeweils
eine seitliche erste Laufbahn haben. Am inneren Wellenteil sind
an einem in den hohlzylindrischen ersten Kopplungsabschnitt des äußeren Wellenteils eingreifenden
zweiten Kopplungsabschnitt in axialer Richtung verlaufende separat
ausgebildete zweite Laufbahnsegmente befestigt, die an zwei einander gegenüberliegenden
Längsseiten
jeweils eine seitliche zweite Laufbahn haben. Die ersten und zweiten Laufbahnsegmente
sind in Umfangs richtung abwechselnd angeordnet. Zwischen jeweils
einer der ersten und jeweils einer der zweiten Laufbahnen sind Wälzkörper platziert.
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Die
erfindungsgemäße Wellenkomponente kommt
also ohne die nur mit sehr hohem Aufwand herzustellenden Lagerungen
von Laufrollen und direkt in eines der Wellenteile eingearbeitete
Längsnuten
aus. Dadurch kann eine dünnere
Wandstärke verwendet
werden. Dies senkt den Materialbedarf und damit auch die Fertigungskosten.
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Die
erfindungsgemäß vorgesehenen
gesondert hergestellten und erst nachträglich an den Wellenteilen befestigten
Laufbahnsegmente lassen sich flexibel an den jeweiligen Anwendungsfall
anpassen. Für
die Wellenteile und die Laufbahnsegmente können die jeweils spezifisch
geeigneten Materialien ausgewählt
werden. Die die Laufbahnen umfassenden Laufbahnsegmente haben oft
besondere Anforderungen an die Abriebfestigkeit und die Materialbeständigkeit
zu erfüllen.
Sie bestehen deshalb insbesondere aus einem sehr beständigen,
aber auch nur aufwändig
zu bearbeitendem Spezialmaterial. Dagegen können die Wellenteile aus einem
anderen, einfacher zu bearbeitendem Material hergestellt werden.
Dadurch ist der Herstellungsaufwand niedriger als bei Anwendungen,
bei denen die Wellenteile komplett aus dem besonders beständigen Spezialmaterial
bestehen.
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Aufgrund
der abwechselnden Anordnung von ersten und zweiten Laufbahnsegmenten
und den jeweils dazwischen vorgesehenen Wälzkörpern resultiert eine sehr
gute Drehmomentübertragung
in beide Drehrichtungen. Die Kraftübertragung wird auf mehrere,
insbesondere gleichmäßig über den
Umfang verteilt angeordnete Stellen aufgeteilt. Zugleich sind eine
sehr gute Führung
und Verschiebbarkeit in axialer Richtung gegeben. Die eingesetzten
Wälz körper können eine
weitgehend beliebige Form, beispielsweise eine Kugel-, Zylinder-,
Kegel- oder Nadelform, haben.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wellenkomponente ergeben
sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist
eine Variante, bei der alle ersten und zweiten Laufbahnsegmente
gleichartig ausgebildet sind. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung. Die
Bauteilvielfalt sinkt.
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Weiterhin
können
die ersten und zweiten Laufbahnsegmente vorzugsweise mittels Schraubverbindungen
am äußeren bzw.
inneren Wellenteil befestigt sein. Schraubverbindungen sind einfach herzustellen.
Außerdem
ermöglichen
sie eine Einstellbarkeit der Spielfreiheit, indem für die Schraubverbindungen
ein auf die spezielle Anforderung abgestimmtes Anzugsdrehmoment
verwendet wird. So lässt
sich in sehr einfacher Weise die auf die Wälzkörper über die ersten und zweiten
Laufbahnen einwirkende Vorspannung in gewissen Grenzen variieren.
Mittels unterschiedlicher Anzugsdrehmomente können außerdem auch gewisse Fertigungstoleranzen
ausgeglichen werden. Auch dies senkt den Herstellungsaufwand.
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Gemäß einer
anderen Variante weisen die ersten und zweiten Laufbahnen jeweils
eine in Längsrichtung
verlaufende Vertiefung auf. Insbesondere ist deren Kontur an die
Form der Wälzkörper angepasst.
Dadurch wird eine gute Führung
der Wälzkörper erreicht.
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Vorzugsweise
ist die Vertiefung eine Nut mit V-förmigem oder kreisbogenförmigem Nutquerschnitt.
So kann eine besonders gute Anpassung an die Kontur der verwendeten
Wälzkörper, insbesondere
an kugelförmige
Wälz körper, erreicht
werden. Dann ergeben sich sehr gute Eigenschaften für die Kraft-
und Drehmomentübertragung.
Außerdem
verbessert dies die Führung.
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Bei
einer weiteren günstigen
Ausgestaltung sind die Wälzkörper zumindest
teilweise in einem zwangsgeführten
Käfig angeordnet.
Diese Maßnahme
bietet Schutz vor einem unkoordinierten Verschieben oder „Wandern" des Käfigs samt
der darin angeordneten Wälzkörper in
Längsrichtung
der Laufbahnen. Die Zwangsführung
des Käfigs
erfolgt dabei insbesondere mittels eines mit dem Käfig drehbar verbundenen
zahnradartigen Elements, dessen zahnartige Vorsprünge in korrespondierende
Ausnehmungen an den Laufbahnen eingreifen. Die Formen der Vorsprünge und
der Ausnehmungen sind insbesondere aufeinander abgestimmt.
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Günstig ist
außerdem
eine Variante, bei der sich die Wälzkörper in zwischen den ersten
und zweiten Laufbahnen angeordneten Käfigen befinden und jeweils
zwei in Umfangsrichtung zueinander benachbarte Käfige miteinander verbunden
sind. Dadurch können
weniger Käfig-Zwangsführungen
vorgesehen werden, beispielsweise nur noch bei jedem zweiten Käfig. Aufgrund
der Käfigverbindung
ergibt sich eine Zwangskopplung der Längsbewegungen benachbarter
Käfige.
Dies bietet auch ohne zusätzlich
vorgesehene Käfig-Zwangsführung einen
gewissen Schutz vor einem unkoordinierten Verschieben oder „Wandern" der Käfige. Insbesondere
lässt sich
so ein ungleichmäßiges oder
gegenläufiges
Verschieben oder „Wandern" der miteinander
verbundenen benachbarten Käfige
verhindern.
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Darüber hinaus
ist es bevorzugt, dass die ersten und zweiten Laufbahnsegmente jeweils
eine brückenartige
Struktur mit zwei insbesondere schmalen seitlichen Randstegen haben.
Dies senkt den Herstellungsaufwand, da keine oder nur eine geringfügige Anpassung
an die gewölbten
Kontaktflachen der Wellenteile erforderlich ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Wellenkomponente mit Längsausgleich
mittels brückenartiger
Laufbahnsegmenten mit V-Nut-förmigen Laufbahnen
in perspektivischer Ansicht und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Wellenkomponente mit Längsausgleich
mittels zylinderschalenförmiger
Laufbahnsegmenten mit gerundeten Laufbahnen in perspektivischer
Ansicht.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 und 2 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer Wellenkomponente 1 mit Längsausgleich gezeigt. Die Wellenkomponente 1 ist
um eine in 1 nicht mit eingetragene zentrale
Drehachse drehbar. Sie enthält
als Hauptkomponenten ein inneres und ein äußeres Wellenteil 2 bzw. 3,
wobei im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 von
dem inneren Wellenteil 2 nur ein im Wesentlichen zylindrischer
Kopplungsabschnitt 4 und von dem äußeren Wellenteil 3 nur
ein im Wesentlichen hohlzylindrischer Kopplungsabschnitt 5 gezeigt
ist.
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An
einer nach außen
gewölbten
Umfangsfläche 6 des
zylindrischen Kopplungsabschnitts 4 und an einer nach innen
gewölbten
Innenmantelfläche 7 des
hohlzylindrischen Kopplungsabschnitts 5 sind im Ausführungsbeispiel jeweils
fünf in
Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte,
in axialer Richtung -also in Richtung der Längs- oder Drehachse -verlaufende
innere bzw. äußere Laufbahnsegmente 8 bzw. 9 befestigt.
Die inneren und äußeren Laufbahnsegmente 8 bzw. 9 wechseln
sich in Umfangsrichtung ab. Sie sind gleich aufgebaut. Die Befestigung
am inneren und äußeren Wellenteil 2 bzw. 3 erfolgt
mittels Schraubverbindungen. Im Ausführungsbeispiel sind pro Laufbahnsegment 8 oder 9 mehrere,
insbesondere drei, axial hintereinander und in Umfangsrichtung mittig angeordnete
Schraubverbindungen vorgesehen.
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Im
Kontaktbereich zu dem inneren oder äußeren Wellenteil 2 bzw. 3 haben
die Laufbahnsegmente 8 bzw. 9 jeweils eine mittige
axiale Ausnehmung 10, so dass der Kontakt zu dem inneren
oder äußeren Wellenteil 2 bzw. 3 jeweils
nur über
zwei seitliche schmale Randstege 11 gegeben ist. Dadurch
ist keine hochgenaue Anpassung der Laufbahnsegment-Kontaktflächen an
die gewölbte
Umfangskontur des inneren oder äußeren Wellenteils 2 bzw. 3 erforderlich.
Außerdem
können
baugleiche Einheitskomponenten als Laufbahnsegmente 8 und 9 zur
Befestigung an der nach außen
bzw. nach innen gewölbten
Fläche
des inneren bzw. äußeren Wellenteils 2 bzw. 3 eingesetzt
werden. Die Einheitskomponente braucht nur gewendet zu werden.
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Die
brückenartige
Struktur der Laufbahnsegmente 8 und 9 ermöglicht darüber hinaus
durch eine Variation der Anzugsdrehmomente der im Bereich der Ausnehmung 10 angeordneten
Schraubverbindungen einen gewissen Ausgleich von Fertigungsschwankungen.
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Die
nicht mit der gewölbten
Fläche
des inneren bzw. äußeren Wellenteils 2 bzw. 3 in
Kontakt stehende Längsoberseite
des Laufbahnsegments 8 bzw. 9 ist als ebene Fläche ausgebildet.
Dies erleichtert die Herstellung.
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Im
montierten Zustand greift das innere Wellenteil 2 mit seinem
Kopplungsabschnitt 4 in den Kopplungsabschnitt 5 des äußeren Wellenteils 4 ein. Beide
Wellenteile 2 und 3 sind axial gegeneinander verschiebbar,
wobei die Kopplung zwischen beiden Wellenteilen 2 und 3 so
ausgelegt ist, dass in beiden Drehrichtungen ein Drehmoment übertragen
werden kann. Diese Kopplung erfolgt mittels der Laufbahnsegmente 8 und 9.
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Die
Laufbahnsegmente 8 und 9 haben an zwei einander
gegenüber
liegenden und jeweils in Umfangsrichtung weisenden Längsseiten 12,
nämlich
an den Außenseiten
der Randstege 11, jeweils eine axial verlaufende Vertiefung 13 in
Gestalt einer V-Nut. Diese Vertiefungen 13 bilden an den
inneren Laufbahnsegmenten 8 seitliche innere Laufbahnen 14 und
an den äußeren Laufbahnsegmenten 9 seitliche äußere Laufbahnen 15.
Zwischen jeweils zwei einander zugewandten Laufbahnen 14 und 15 zweier benachbarter
Laufbahnsegmente 8 bzw. 9 sind in einem Käfig angeordnete
Wälzkörper 16 angeordnet, die
im Ausführungsbeispiel
kugelförmig
ausgebildet sind. Andere Wälzkörperformen
sind aber grundsätzlich
ebenfalls möglich,
wobei dann ggf. auch die Kontur der Laufbahnen 14 und 15 entsprechend
angepasst ist.
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Jedenfalls
können
sich die Wälzkörper 16 entlang
der Vertiefungen 13 der Laufbahnen 14 und 15 bewegen,
wenn die beiden Wellenteile 2 und 3 und damit
auch die inneren und äußeren Laufbahnsegmente 8 bzw. 9 relativ
zueinander in axialer Richtung bewegt werden. Zugleich ermöglichen
die Wälzkörper 16 und
die Laufbahnen 14 und 15 eine sehr gute seitliche
Kraft- bzw. Drehmomentübertragung, wobei
die einwirkenden Kräfte
aufgrund der abwechselnden und ineinandergreifenden Anordnung der Laufbahnen 14 und 15 möglichst
gleichmäßig auf mehrere
Stellen in Umfangsrichtung verteilt werden.
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Die
Wellenkomponente 1 weist also zum einen eine gute Längsführung bei
einer relativen Längsverschiebung
der Wellenteile 2 und 3 und zum anderen eine gute
Drehmomentübertragung
zwischen den Wellenteilen 2 und 3 in beide Drehrichtungen
auf. Darüber
hinaus kann eine Spielfreiheit der zwischen den Laufbahnen 14 und 15 gelagerten Wälzkörpern 16 in
gewissen Grenzen mittels der Schraubverbindungen zwischen den Wellenteilen 2 und 3 einerseits
und den Laufbahnsegmenten 8 bzw. 9 andererseits
eingestellt werden. Hierzu werden die Schrauben mit einer dementsprechenden
Stärke
angezogen.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Wellenkomponente 17 mit Längsausgleich gezeigt. Zur besseren Übersichtlichkeit
ist beim Ausführungsbeispiel
gemäß 2 das
innere Wellenteil 2 nicht mit dargestellt. Der wesentliche
Unterschied zur Wellenkomponente 1 gemäß 1 besteht
in der Verwendung anderer innerer und äußerer Laufbahnsegmente 18 und 19.
Auch die inneren und äußeren Laufbahnsegmente 18 und 19 sind
untereinander jeweils baugleich.
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Anstelle
der bei den Laufbahnsegmente 8 und 9 vorgesehenen
brückenartigen
Querschnittsfläche
haben die Laufbahnsegmente 18 und 19 eine Querschnittsfläche, die
im Wesentlichen die Gestalt eines Kreisbogenabschnitts aufweist.
An ihren unteren und oberen gewölbten
Längskontaktflächen haben
die Laufbahnsegmente 18 und 19 jeweils eine mittige
untere bzw. obere Längsausnehmung 20 bzw. 21,
was lediglich für
ein Laufbahnsegment 19 exemplarisch dargestellt ist, so
dass der Kontakt zu dem inneren oder äußeren Wellenteil 2 bzw. 3 jeweils
wiederum nur an den beiden seitlichen Randbereichen mittels unterer
bzw. oberer Kontaktrandzonen 22 bzw. 23 gegeben
ist. Deren Ausdehnungen in Umfangsrichtung liegen in etwa in der
gleichen Größen ordnung
wie die der Längsausnehmungen 20 bzw. 21.
Die radialen Abmessungen der Längsausnehmungen 20 und 21 sind
dagegen deutlich kleiner, insbesondere um mindestens eine Größenordnung
kleiner als die radialen Abmessungen der materialbehafteten Abschnitte
der Laufbahnsegmente 18 und 19.
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Demgegenüber hat
der bei den Laufbahnsegmenten 8 und 9 gemäß 1 zwischen
den beiden Randstegen 11 verlaufende Brückenbogen eine geringere radiale
Ausdehnung, die nur etwa in der Größenordnung der radiale Ausdehnung
der Ausnehmung 10 liegt. Letztere ist beispielsweise um
den Faktor 1,5 bis 3 kleiner als die Stärke des Brückenbogens.
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Im
Bereich der mittigen unteren oder oberen Längsausnehmungen 20 bzw. 21 sind
Schraubverbindungen zwischen den Wellenteilen 2 bzw. 3 und den
Laufbahnsegmenten 18 und 19 vorgesehen.
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An
den Längsseiten 12 haben
die Laufbahnsegmente 18 und 19 axial verlaufende
Vertiefungen 24 in Form von Nuten mit kreisbogenförmigem Nutquerschnitt.
Die Vertiefungen bilden an den inneren Laufbahnsegmenten 18 seitliche
innere Laufbahnen 25 und an den äußeren Laufbahnsegmenten 19 seitliche äußere Laufbahnen 26,
zwischen denen sich in 2 nicht näher gezeigte kugelförmige Wälzkörper befinden.
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Diese
Wälzkörper sind
in zwangsgeführten Käfigen 27 angeordnet,
von denen jeweils zwei in Umfangsrichtung zueinander benachbarte
mittels einer Käfigverbindung 28 miteinander
verbunden sind. Die so gekoppelten Käfige 27 sind jeweils
beiderseits eines der äußeren Laufbahnsegmente 19 angeordnet.
Die als flaches und gewölbtes
Flächenelement ausgeführte Käfigverbin dung 28 liegt
eng, aber axial verschiebbar an der nach innen weisenden Längsseite
des jeweiligen äußeren Laufbahnsegments 19 an.