DE102007021057A1

DE102007021057A1 - Kardangelenk, insbesondere für Lenkspindeln von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102007021057A1
Application number: DE102007021057A
Authority: DE
Inventors: Georg Maierbacher; Karl-Heinz Martini
Original assignee: SGF Sueddeutsche Gelenkscheibenfabrik GmbH and Co KG
Current assignee: SGF Sueddeutsche Gelenkscheibenfabrik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06
Also published as: WO2008135122A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kardangelenk (110), insbesondere für Lenkspindeln von Kraftfahrzeugen, mit - zwei Gelenkgabeln (14, 16), die mit je einer Welle verbindbar sind und je ein Paar Lagermittel aufweisen, - einem zwischen den Gelenkgabeln (14, 16) angeordneten Gelenkteil (12) mit zwei Paar Komplementär-Lagermitteln, die zwei einander kreuzende oder windschiefe Gelenkachsen (B1, B2) definieren, und - einer zumindest Drehschwingungen dämpfenden, im Gelenkteil (12) angeordneten Dämpferanordnung (50), wobei die beiden Gelenkgabeln (14, 16) unter paarweisem Zusammenwirken der Lagermittel und Komplementär-Lagermittel über das Gelenkteil (12) miteinander gekoppelt sind. Zur Dämpfung von Torsionsschwingungen und Axialschwingungen ist vorgesehen, dass das Gelenkteil (12) zwei Segmentpaare (20, 30) umfasst, von denen jedes Segment (22, 24 und 32, 34) separat ausgebildet und mit jeweils einem Komplementär-Lagermittel verbunden ist, und dass jeweils zwei benachbarte Segmente (22, 24 und 32, 34) über in Richtung quer zu den Gelenkachsen deformierbare Dämpfungskörper (511, 512, 513, 514) der Dämpferanordnung (50) miteinander gekoppelt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kardangelenk, insbesondere für Lenkspindeln von Kraftfahrzeugen, mit zwei Gelenkgabeln, die mit je einer Welle verbindbar sind und je ein Paar Lagermittel aufweisen, einem zwischen den Gelenkgabeln angeordneten Gelenkteil mit zwei Paar Komplementär-Lagermitteln, die zwei einander kreuzende oder windschiefe Gelenkachsen definieren, und einer zumindest Drehschwingungen dämpfenden, im Gelenkteil angeordneten Dämpferanordnung, wobei die beiden Gelenkgabeln unter paarweisem Zusammenwirken der Lagermittel und Komplementär-Lagermittel über das Gelenkteil miteinander gekoppelt sind.
Kardangelenke werden üblicherweise in Gelenkwellenanordnungen eingesetzt, bei denen Drehmomente über eine Mehrzahl von Wellen übertragen werden müssen, die zueinander nicht parallel verlaufen. Insbesondere bei Gelenkwellen zur Übertragung von Lenkkräften in Kraftfahrzeugen finden Kardangelenke Anwendung. Herkömmliche Kardangelenke erfüllen zwar die Aufgabe, Drehmomente zwischen zueinander abgewinkelten Wellenabschnitten zu übertragen. Dabei werden aber sowohl Torsionsschwingungen als auch Stöße in Wellenrichtung gleichsam mit übertragen. Bei der Konzipierung moderner Lenksysteme wird hingegen versucht, unerwünschte Drehschwingungen und Stöße zu dämpfen, um den Fahrkomfort zu erhöhen. Hierfür werden beim Stand der Technik entweder in den Wellenanordnungen selbst oder in den Kardangelenken entsprechende Dämpfer integriert.
Eine derartige Lösung ist beispielsweise aus dem Dokument DE 192 89 990 A1 bekannt. Dieses Dokument beschreibt ein Kardangelenk, bei dem das zwischen den beiden Gelenkgabeln angeordnete Gelenkteil aus zwei zueinander verdrehbaren gekröpften Zapfenkörpern hergestellt ist. Die beiden zueinander verdrehbaren Zapfenkörper stützen sich gegenseitig über Gummipuffer aneinander ab. Ferner werden sie über einen zentralen Zugbolzen aneinander gehalten. Dadurch lässt sich eine Verdrehbarkeit der beiden Zapfenkörper zueinander erreichen, die unter Komprimierung der eingelegten Gummikörper gedämpft wird. Aufgrund der Verspannung der beiden Zapfenkörper über den zentralen Bolzen ist lediglich eine Verdrehung der beiden Zapfenkörper relativ zueinander möglich. Anderweitige Relativbewegungen sind ausgeschlossen.
Zum weiteren Stand der Technik ist auf das Dokument DE 100 01 270 A1 zu verweisen. Dieses Dokument verfolgt den Ansatz, die in den Gelenkgabeln angebrachten Lagerbuchsen zur Aufnahme der Lagerzapfen des Gelenkteils unter Zwischenschaltung von Dämpfungslagen in den Gelenkgabelenden aufzunehmen. Dadurch können sich jedoch schwer vorhersehbare Spannungszustände ergeben, die in der Praxis zu unerwünschten Taumelbewegungen führen können. Ferner kann dadurch die Gelenkfunktion beeinträchtigt werden.
Eine ähnliche Lösung zeigt das Dokument DE 26 01 026 A1 . Auch hier sind die Gelenkbuchsen in Gummihülsen in den Gelenkgabelenden angeordnet.
Schließlich zeigt das Dokument US 3,878,695 eine Lösung, bei der die Verbindung zwischen einem Wellenabschnitt und dem Kardangelenk über einen elastomeren Hülsenkörper erfolgt. Dieser wird bei Drehschwingungen sowie bei Axialschwingungen jeweils einer Scherbeanspruchung ausgesetzt. Zwar kann mit einer derartigen Lösung eine Dämpfung von Torsinns- und Axialschwingungen erreicht werden, jedoch baut diese Lösung relativ groß. Darüber hinaus führen die permanent an dem elastomeren Dämpfungskörper anliegenden Scherbelastungen zu einem erhöhten Ausfallrisiko wegen Verschleißes.
Es ist demgegenüber eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kardangelenk der eingangs bezeichneten Art bereitzustellen, das bei einfachem und platzsparendem Aufbau eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Dämpfungscharakteristik hinsichtlich Torsinns- und Axialschwingungen aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Kardangelenk der eingangs bezeichneten Art gelöst, bei dem vorgesehen ist, dass das Gelenkteil zwei Segmentpaare umfasst, von denen jedes Segment separat ausgebildet und mit jeweils einem Komplementär-Lagermittel verbunden ist, und dass jeweils zwei benachbarte Segmente über in Richtung quer zu den Gelenkachsen deformierbare Dämpfungskörper der Dämpferanordnung miteinander gekoppelt sind.
Gemäß der Erfindung umfasst das Gelenkteil zwei Segmentpaare mit jeweils separat ausgebildeten Segmenten. Dies bedeutet, dass das Gelenkteil insgesamt mindestens vier Segmente aufweist, die als voneinander getrennte Teile herstellbar sind. Es ist jedoch auch denkbar, mehr als vier Segmente pro Gelenkteil vorzusehen, beispielsweise Gelenkteile mit acht Segmenten.
Die Komplementär-Lagermittel sind an den Segmenten der beiden Segmentpaare angebracht, so dass das Gelenkteil unter Vermittlung der Komplementär-Lagermittel mit den Gelenkachsen im Stile eines herkömmlichen Kardangelenks verbindbar ist. Zwischen den Segmenten sind deformierbare Dämpfungskörper angeordnet, die eine Relativbewegung zweier benachbarter Segmente zueinander zulassen. Dadurch können sowohl Torsionsschwingungen als auch Axialschwingungen ausgeglichen werden, worauf im Folgenden noch im Detail eingegangen wird.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die gesamte Dämpfungswirkung allein durch die erfindungsgemäße Gestaltung des zwischen den Gelenkgabeln angeordneten Gelenkteils realisierbar ist. Dadurch ist es möglich, die Gelenkgabeln in herkömmlicher Art und Weise auszubilden. Darüber hinaus kann je nach Einzelfall das Gelenkteil an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden, beispielsweise durch Bereitstellung eines Gelenkteils mit härteren oder weniger harten Dämpfungskörpern. Auch im Wartungsfall, beispielsweise nach einer bestimmten Betriebsdauer, kann durch einfaches Austauschen des Gelenkteils das Kardangelenk wieder instand gesetzt werden, ohne dass aufwendige Montageschritte in den Gelenkgabeln oder gar an den zu verbindenden Wellen erforderlich sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jedes der Lagermittel einen Lagerbolzen und jedes der Komplementär-Lagermittel eine jeweils einen Lagerbolzen aufnehmende Lageröffnung umfasst. Ferner kann hinsichtlich der Lagerung vorgesehen sein, dass diese in einer Lagerbuchse oder in einem Wälzkörperlager ausgebildet ist, die bzw. das in einem Segment wiederum aufgenommen ist. Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung wird also das Gelenkteil mit entsprechenden Lageröffnungen in den jeweiligen Segmenten versehen, die dann jeweils einen in die Gelenkgabeln eingebrachten Lagerbolzen aufnehmen. Die Lagerbolzen sind an den Gelenkgabeln entweder durch Gewindeanordnungen oder durch Presssitz gehalten.
Eine vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Lagerbolzen variabel in die Gelenkgabel einbringbar sind, wobei nach Maßgabe der Stellung des Lagerbolzens in der Gelenkgabel die Dämpferanordnung des Gelenkteils vorspannbar ist. Demzufolge lassen sich die Lagerbolzen unterschiedlich tief in die Gelenkgabeln einschrauben. Geht man davon aus, dass die Lagerbolzen mit ihren axialen Stirnfläche über eine Lagerbuchse an einer korrespondierenden Gegenstirnfläche in dem ihnen zugeordneten Segment angreifen, so lässt sich damit die Lage der Segmente relativ zu den Gelenkgabeln verstellen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass bei einem stärkeren Einschrauben eines Lagerbolzens in die Gelenkgabel in Richtung zum Zentrum des Kreuzgelenks hin dasjenige Segment, in das der Gelenkbolzen eingreift, ebenfalls relativ zu der Gelenkgabel weiter zum Gelenkzentrum hin verlagert wird. Sind die anderen Segmente in entsprechender Weise bereits mit Gelenkbolzen gekoppelt und ist deren Position relativ zu den Gelenkgabeln dadurch bereits bestimmt, so kommt es aufgrund des stärkeren Einschraubens des erstgenannten Gelenkbolzens zu einer stärkeren Komprimierung der Dämpfungskörper zwischen dem betroffenen Segment und den benachbarten Segmenten. Dadurch kann die Vorspannung in den Dämpfungskörpern erhöht werden und damit durch Erhöhung der Gesamtsteifigkeit deren Dämpfungsverhalten im Betrieb beeinflusst werden. Selbstverständlich ist auch eine entgegengesetzte Einstellung möglich, wobei ein oder mehrere Gelenkbolzen in Richtung vom Gelenkzentrum weg aus den Gelenkgabeln ausgeschraubt werden. Dabei können sich die Dämpfungskörper entsprechend entspannen, so dass die Gesamtsteifigkeit der Dämpferanordnung reduziert werden kann. Mit dieser Weiterbildung der Erfindung ist demnach eine zielgerichtete Einstellung der Dämpfungseigenschaften möglich.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Lagerbolzen eine Dichtfläche zum Abdichten der Lageröffnung aufweisen, in die sie eingreifen. Diese Lösung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Lageröffnung mit Schmiernuten ausgebildet ist. So lässt sich ein unerwünschtes Austreten von Schmierstoffen aus der Lageranordnung verhindern. Darüber hinaus kann durch Abdichten der Lageröffnung sogar eine Lebensdauerschmierung gewährleistet werden.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Gelenkteil scheibenförmig ausgebildet und in wenigstens vier Segmente unterteilt ist, wobei zwischen einander gegenüberliegenden Stirnflächen zweier benachbarter Segmente wenigstens ein Dämpfungskörper angeordnet ist. Die Dämpfungskörper können dabei als separate Elemente ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Dämpfungskörper miteinander verbunden sind. In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass die Dämpfungskörper aus einem elastischen Material, vorzugsweise aus Gummi, hergestellt sind.
Um ein formstabiles, als eine Einheit handhabbares Gelenkteil bereitzustellen, welches bei einfacher und kostengünstiger Herstellung eine lange Lebensdauer bietet, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Dämpfungskörper an die Stirnflächen der Segmente anvulkanisiert sind. So lassen sich beispielsweise die Segmente aus einem harten Kunststoffmaterial oder aus Metall herstellen, die dann in eine Form eingelegt und mit einem Gummimaterial zumindest teilweise umspritzt werden.
In einem Folgeschritt kann dann das Gummimaterial ausvulkanisiert werden, so dass es an den Segmenten haftet und diese zu dem Gelenkteil verbindet.
Wie vorstehend bereits angedeutet, lassen sich die einzelnen Segmente relativ zueinander verlagern. Um insbesondere Überlastzuständen zu begegnen, die zu einem unerwünschten Versagen des erfindungsgemäßen Kardangelenks führen, kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Segmente gegenüber ihren Stirnflächen erhabene Anschlagflächen aufweisen. Derartige Anschlagflächen dienen beispielsweise dazu, um im Falle von hohen Drehmomenten einen Anschlag für einander benachbarte Segmente zu bieten. Dadurch werden die zwischen diesen angeordneten Dämpfungskörper lediglich einer vorbestimmten Maximalbelastung – sei es eine Druckbelastung oder eine Zugbelastung – ausgesetzt, jedoch werden sie vor einer Belastung darüber hinaus aufgrund der abstützenden Anlage zueinander korrespondierender Anschlagflächen geschützt.
In einer Grundform der Erfindung ist zwischen zwei benachbarten Segmenten lediglich ein Dämpfungskörper angeordnet, der dann je nach Materialeigenschaften ein bestimmtes Deformationsverhalten bei einer Druckbelastung sowie bei einer entgegengerichteten Zugbelastung zeigt. Wie vorstehend bereits erfahren, lässt sich dieses Deformationsverhalten auch noch durch geeignete Wahl der Vorspannung beeinflussen. Eine weitere Möglichkeit zur gezielten Einstellung des Deformationsverhaltens, insbesondere zum Erreichen eines progressiven Deformationsverhaltens, liegt beispielsweise darin, dass zwischen zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen zweier benachbarter Segmente jeweils ein flächiges Einlageteil vorgesehen ist, und dass das Einlageteil über jeweils einen Dämpfungskörper mit den ihm zugewandten Stirnflächen verbunden ist. Dieses Merkmal ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich das Einlageteil in den lichten Spalt zwischen den vorstehend bereits angesprochenen Anschlagflächen erstreckt. Wird in Folge eines bestimmten Belastungsniveaus der Dämpfungskörper beidseits des Einlageteils so stark komprimiert, dass sich die Anschlagflächen an das Einlageteil anlegen, so werden die Dämpfungskörper zwischen den beiden benachbarten Segmenten und dem Einlageteil sozusagen kurzgeschlossen. Die Kraftübertragung von einem Segment auf das andere erfolgt dann nur noch über das Einlageteil, wobei in der Folge im Wesentlichen allein dessen Steifigkeit für das Dämpfungsverhalten maßgeblich ist. So lässt sich dann, wenn man das Dämpfungskörpersystem aus zwei Dämpfungskörpern und zwischen diesen angeordnetem Einlageteil mit verschiedenen Steifigkeiten betrachtet, eine progressive Kennlinie erhalten. Diese weist einen dann Knick auf, wenn sich die Anschlagflächen an das Einlageteil anlegen, wobei die Steigung der Kennlinie bei Überschreiten des Knicks, das heißt bei zunehmender Belastung, zunimmt. Es versteht sich, dass je nach Wahl der Materialeigenschaften für Dämpfungskörper und Einlageteil dieses Verhalten und der Verlauf der Kennlinie an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar sind.
Auch lässt sich durch eine Mehrschichtigkeit des Dämpfungssystems zwischen zwei benachbarten Segmenten, beispielsweise durch Anordnung mehrerer Einlageteile mit unterschiedlichen Steifigkeiten, das Dampfungsverhalten weiter wunschgemäß einstellen.
Eine Weiterbildung der Erdfindung sieht vor, dass die zwischen den Segmenten angeordneten Einlageteile, vorzugsweise zu einem Einlagekreuz, einstückig miteinander verbunden sind. Dadurch lässt sich insbesondere die Herstellbarkeit des Gelenkteils verbessern. So lässt sich das Einlagekreuz beispielsweise für den Spritz- und Vulkanisiervorgang als einteiliges Bauteil besser handhaben, insbesondere auch im Hinblick darauf, dass sich dieses beim Spritzvorgang nicht unerwünscht in einer Form verlagert.
Vorstehend wurde insbesondere auf das Ausgleichen von Drehschwingungen Bezug genommen, wobei die Dämpfungskörper quer zu den Gelenkachsen deformiert werden. Das erfindungsgemäße Kardangelenk bietet aber auch – wie eingangs bereits angedeutet – den Vorteil, dass Axialschwingungen oder Stöße in Wellenrichtung ausgeglichen werden können. In diesem Zusammenhang sieht die Erfindung nämlich ferner vor, dass die Dämpfungskörper in Richtung orthogonal zu den Gelenkachsen deformierbar sind. So können die Gelenkkörper Scherbelastungen ausgesetzt werden, die zum Ausgleich von Schwingungen oder Stößen in Richtung der mit den Gelenkgabeln jeweils verbundenen Wellen führen. In diesem Punkt ergibt sich ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem eingangs diskutierten gattungsbildenden Stand der Technik gemäß DE 192 89 990 A1 , bei dem lediglich ein Drehschwingungsausgleich vorgesehen ist, Axialschwingungen jedoch aufgrund des zentralen Bolzens nicht ausgeglichen werden können.
Um auch eine Überlastung in Folge von Axialschwingungen vermeiden zu können, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass beidseits des Gelenkteils Sicherungsscheiben angeordnet sind, die über einen Anker miteinander verbunden sind. Die Sicherungsscheiben lassen eine Deformation des Gelenkteils in axialer Richtung bis zu einem gewissen Grad zu. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Sicherungsscheiben in Richtung einer zu den Gelenkachsen im wesentlichen orthogonalen Längsachse in Abstand zu dem Gelenkteil angeordnet sind. Um jedoch ein abruptes Anschlagen einzelner Segmente an die Sicherungsscheiben zu vermeiden, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass das Gelenkteil, vorzugsweise jedes Segment des Gelenkteils, an seinen den Sicherungsscheiben jeweils zugewandten Oberflächen Puffermittel aufweist. So setzen die Segmente im Belastungsfall über die Puffermittel auf den Sicherungsscheiben auf, wobei die Puffermittel zu einer zusätzlichen Dämpfung in Axialrichtung führen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht zentrale Montageöffnungen in dem Gelenkteil vor. Durch Bereitstellung von Montageöffnungen lässt sich das Gelenkteil, beispielsweise bei der Anbringung von Nadellagern in den Lageröffnungen fixieren.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es stellen dar:
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kardangelenks ohne oberseitige Sicherungsscheibe,
2 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Kardangelenks gemäß 1 entlang der Linie I-I aus 1,
3 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kardangelenks gemäß 1 mit oberseitiger Sicherungsscheibe,
4 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kardangelenks gemäß 1 mit oberseitiger Sicherungsscheibe im Teilschnitt;
5 eine Prinzipskizze einer Gelenkwelle im Lenkstrang eines Kraftfahrzeugs;
6 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kardangelenks ohne oberseitige Sicherungsscheibe;
7 einen Querschnitt der zweiten Ausführungsvariante gemäß 6 ähnlich 2;
8 eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kardangelenks mit oberseitiger Sicherungsscheibe;
9 eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kardangelenks mit oberseitiger Sicherungsscheibe im Teilschnitt;
10 einen Querschnitt durch die Lagerbuchse einer möglichen Gleitlagerung entlang der Linie II-II in 2; und
11 einen Querschnitt durch die Lagerbuchse einer möglichen Lagerung mit Nadellager entlang der Linie III-III in 7.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gedämpften Kardangelenks dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Kardangelenk 10 umfasst ein elastisches Gelenkteil 12 sowie zwei Gelenkgabeln 14 und 16. Über einen angedeuteten Fortsatz 18 der Gelenkgabeln 14 und 16 können diese mit Wellen 74 verbunden werden.
Das elastische Gelenkteil 12 umfasst im wesentlichen zwei Segmentpaare 20 und 30, die sich aus den jeweils gegenüberliegenden separat ausgeführten Segmenten 22, 24 und 32, 34 zusammensetzen. Das elastische Gelenkteil 12 umfasst ferner eine sternförmige Dämpferanordung 50, die aus einem elastischem Material, vorzugsweise Gummi, hergestellt ist und die vorwiegend der torsionalen Dämpfung des Kardangelenks dient. Die Dämpferanordnung 50 weist vier Dampferkörper 51₁ , 51₂ , 51₃ und 51₄ auf, die über einen zentralen Verbindungsring 53 einstückig miteinander verbunden sind. Jeder der Dämpferkörper ist 51₁ , 51₂ , 51₃ und 51₄ zwischen zwei benachbarten Segmenten 22, 24 und 32, 34 angeordnet und an diese anvulkanisiert, so dass die Dämpferkörper 51₁, 51₂ , 51₃ und 51₄ jeweils bei einer Annäherung zweier benachbarter Segmente auf Druck und bei einem gegenseitigen Entfernen zweier benachbarter Segmente auf Zug belastbar sind.
Ferner sind an dem Gelenkteil 12 Puffermittel 60 vorgesehen, die ebenfalls aus einem elastischen Material, vorzugsweise Gummi, hergestellt sind und zur axialen Dämpfung beitragen. Die genaue Funktionsweise wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben.
Wie in 2 erkennbar ist, werden die Gelenkgabeln 14, 16 über Lagerbolzen 26 mit den beiden Segmentpaaren 20, 30 verbunden. Die Gelenkgabeln 14, 16 weisen jeweils Lagerbohrungen 64 zur Aufnahme der Lagerbolzen 26 auf, in welche diese eingeschraubt oder eingepressten werden. Andernends werden die Lagerbolzen 26 in Lageröffnungen 28 des scheibenförmigen Gelenkteils 12 in einem Drehlager, beispielsweise einem Nadellager 42 oder einem Gleitlager, aufgenommen.
Die Lageröffnungen 28 sind in die einzelnen Segmente 22, 24 und 32, 34 eingebracht, welche aus beispielsweise Kunststoff oder Metall hergestellt sind. Jeweils zwei gegenüberliegende Lageröffnungen 28 sind im wesentlichen koaxial ausgebildet und definieren die Gelenkachsen B1 und B2, um die sich die Gelenkgabeln 14, 16 relativ zu dem Gelenkteil 12 drehen können. Dadurch können die für Gelenkwellen typischen Zwischenwinkel α zwischen den einzelnen Wellen 74, wie 5 zeigt, umgesetzt werden.
Eine Dichtfläche 36 an den Lagerbolzen 26 ermöglicht ferner die Anbringung eines Dichtrings 38 an der Lageröffnung 28 der Segmente 22, 24 und 32, 34. Dadurch wird gewährleistet, dass keine Schmierstoffe aus der Lageröffnung 28 austreten können, wodurch eine Lebensdauerschmierung der Lagerbolzen 26 erreicht werden kann.
Im Betrieb wird ein beispielsweise auf die antriebseitige Gelenkgabel 14 um deren Längsachse wirkendes Drehmoment wird über die Lagerbolzen 26 auf das Segmentpaar 20 übertragen. Die abtriebseitige Gelenkgabel 16 setzt sich einer Verdrehung unter Widerstand entgegen. Infolge dessen verdreht sich das Segmentpaar 20 gegenüber dem Segmentpaar 30 um die Längsachse A des Gelenkteils 12, welche im wesentlichen orthogonal zu den beiden Gelenkachsen B1 und B2 steht. Die elastischen Dämpfungskörper 51₁ , 51₂ , 51₃ und 51₄ werden durch die Relativbewegung des Segmentpaars 20 gegenüber dem Segmentpaar 30 wechselweise komprimiert und gestreckt. Im Beispielsfall werden die Dämpfungskörper 51₁ und 51₃ komprimiert, wohingegen die Dämpfungskörper 51₂ und 51₄ entsprechend gestreckt werden. Torsionale Schwingungen werden auf diese Weise von den Dämpfungskörpern 51₁ , 51₂ , 51₃ und 51₄ aufgenommen und gedämpft.
Bei betragsmäßig größeren Drehmomenten werden die kompressionsbeanspruchten Dämpfungskörper 51₁ und 51₃ soweit verformt, dass sich die gegenüber den Stirnflächen der Segmente 22, 24 und 32, 34 vorspringenden Anschlagflächen 46 des ersten Segmentpaars 20 an den kompressionsbeanspruchten Dämpfungskörpern 51₁ und 51₃ an die gegenüberliegenden Anschlagflächen 46 des zweiten Segmentpaars 30 anlegen. Es kommt somit zu einer direkten Übertragung des Drehmoments auf das zweite Segmentpaar 30 und von diesem auf die verbundene Gelenkgabel 16. Dies hat den Vorteil, dass die Dämpfungskörper 51 nur Druckkräften bis zu einem Maxi malwert ausgesetzt werden, welcher durch den Winkel β, der den lichten Spalt 48 zwischen den Anschlagflächen 46 bestimmt, definiert ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist in ihrem Dämpfungsverhalten auch einstellbar. Durch eine axiale Veränderung der Position eines oder mehrerer der Lagerbolzen 26 kann das mit diesem verbundene Segment 22, 24 und 32, 34 in seiner Position relativ zum Gelenkzentrum verlagert werden. Dadurch kann bei entsprechender Einstellung der anderen Segmente 22, 24 und 32, 34 eine Veränderung der Vorspannung der Dämpferanordnung 50 erreicht werden. Wird einer der Lagerbolzen 26 beispielsweise in Richtung des Gelenkzentrums weiter in die Gelenkgabel 14, 16 eingeschraubt, so wird auch das mit diesem verbundene Segment 22, 24 und 32, 34 durch die Abstützung des Lagerbolzens 26 an der Gelenkgabel 14, 16 von dem darin gelagerten Lagerbolzen 26 in Richtung des Gelenkzentrums gedrückt. Dadurch kommt es zu einer sich ausgleichenden Komprimierung der Dämpfungskörper 51₁ , 51₂ , 51₃ und 51₄ zwischen den Segmenten 22, 24 und 32, 34.
Die Dämpferanordnung 50 ist zudem auch in Richtung entlang der Längsachse A deformierbar, so dass neben der vorstehend erläuterten Dämpfung von Torsionsschwingungen auch axiale Schwingungen und Stöße in Wellenlängsrichtung gedämpft werden können. Um eine Absicherung gegen Überbelastung des elastischen Gelenkteils 12 aufgrund von Axialbelastungen zu vermeiden sind ober- und unterseitig des scheibenförmig ausgebildeten Gelenkteils 12, wie in 3 und 4 gezeigt, Sicherungsscheiben 52 angebracht. Diese werden über einen zentral im Gelenkteil 12 angebrachten Anker 54 mit einem durch ein Distanzrohr 56 definierten Abstand d von der Ober- und Unterseite des Gelenkteils 12 miteinander verbunden. Durch den definierten Abstand d wird eine axiale Bewegung der Segmente 22, 24 und 32, 34 in Richtung der Längsachse A bis zu einem gewissen Grad zugelassen. Größere Axialbewegungen, die ein Versagen des elastischen Gelenkteils 12 zur Folge haben könnten, werden jedoch durch die Sicherungsscheiben 52 als axiale Anschläge für die Segmente 22, 24 und 32, 34 vermieden.
An den Oberseiten der einzelnen Segmente 22, 24 und 32, 34 sind die Puffermittel 60 angebracht, die ein abruptes Anschlagen der Segmente 22, 24 und 32, 34 an den Sicherungsscheiben 52 verhindern. Bei einer Bewegung der Segmente 22, 24 und 32, 34 in axialer Richtung zu einer Sicherungsscheibe 52 hin, setzen die Puffermittel 60, die selbst federnd wirken, an der Sicherungsscheibe 52 auf und dämpfen die Bewegung.
5 zeigt nun eine klassische Einbausituation, für Kreuzgelenke. Über ein Lenkrad 70 wird auf eine Lenkspindel 72 ein Lenkmoment ausgeübt. Dieses muss über die im Winkel α zueinander abgewinkelten Lenkwellen 74 auf ein Lenkgetriebe 76 übertragen werden. Die Wellenanordnung aus Lenkspindel 72 und Lenkwellen 74 weist zwei erfindungsgemäße Kardangelenke 10 auf.
Im Folgenden soll auf die zweite Ausführungsform gemäß 6–9 eingegangen werden. Zur Erleichterung der Beschreibung und zur Vermeidung von Wiederholungen werden für gleichwirkende Komponenten dieselben Bezugszeichen, wie bei der Beschreibung der ersten Ausführungsform gemäß 1–4 und 5 verwendet, jedoch mit der vorgestellten Ziffer „1".
Der maßgebliche Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht in einer mehrteilig ausgeführten Dämpferanordnung 150 und einem Einlagekreuz 159, das sich aus vier flächigen Einlageteilen 158₁ , 158₂ , 158₃ und 158₄ zusammensetzt. Jedes Einlageteil 158₁ , 158₂ , 158₃ und 158₄ trennt die Dämpfungskörper zwischen zwei benachbarten Segmenten 122, 124 und 132, 134 jeweils in zwei Dämpfungskörperhälften 151a und 151b. So ergeben sich demnach vier Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ , die sich aus den Dämpfungskörperhälften 151₁a/b, 151₂a/b, 151₃a/b und 151₄a/b zusammensetzen. Jedes Einlageteil 158₁ , 158₂ , 158₃ und 158₄ ist in radialer Richtung länger als die Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ ausgeführt. Es ergeben sich Zwischenräume 148 zwischen den benachbarten Segmenten 122, 124 und 132, 134.
Auf diese Weise kann bei unterschiedlichen Steifigkeiten des Einlagekreuzes 159 und der Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ eine zweistufige Dämpfung erreicht werden: In einer ersten Deformationsphase, d. h. bei kleineren Drehmomenten, werden im wesentlichen nur die weicheren Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ verformt. Bei wachsendem Drehmoment schreitet die Deformation der weicheren Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ so weit fort, bis das Einlagekreuz 159 an Anschlagflächen 146 benachbarter Segmente 122, 124 und 132, 134 zur Anlage kommt. Die Dämpfung erfolgt bis dahin weiter maßgeblich über die Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ . In einer zweiten Deformationsphase nimmt das gegenüber den Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ steifere Einlagekreuz 159, das bereits an den Anschlagflächen 146 der Segmente 122, 124 und 132, 134 anliegt, das Drehmoment allein dämpfend auf. Die Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ sind kurzgeschlossen.
Eine dieser Anordnung entsprechende Kennlinie für die Federsteifigkeit weist einen progressiven Verlauf mit einem Knick an der Stelle auf, an der es zu einem Anliegen des Einlagekreuzes 159 an Anschlagflächen 146 kommt. Eine Anpassung durch Wahl unterschiedlicher Materialkombinationen der Dämpfungskörper 151₁ , 151₂ , 151₃ und 151₄ und des Einlagekreuzes 159, sowie die Verwendung mehrerer Einlageteile ist ebenfalls denkbar.
Das Einlagekreuz 159 übernimmt in dieser Ausführungsform der Erfindung zudem die Funktion des Distanzrohrs 56 des Gelenkteils 12 gemäß der ersten Ausführungsform. Dies liegt daran, dass es auch hinsichtlich seiner Breite in Richtung der Längsachse A über die Segmente 122, 124 und 132, 134 und Dämpfungskörper 151 hinausragt. Der Abstand d der Sicherungsscheiben 152 wird somit nicht mit Hilfe des Distanzrohrs 56 definiert, sondern anhand des axial überstehenden Einlagekreuzes 159.
Die in den 6–9 gezeigten Bohrungen 162 sind zur Entkopplung und Abstützung der Segmente 122, 124; 132, 134 bei der Montage der Nadellager 142 vorgesehen.
In 10 und 11 sind zwei unterschiedliche Ausführungen zur drehbaren Lagerung der Lagerbolzen 26 in dem Segment 22 repräsentativ für alle Segmente 22, 24 und 32, 34 gezeigt. Bei der ersten Ausführungsform gemäß 10 wird der Lagerbolzen 26 von einer Lagerbuchse 40 umschlossen und bildet mit ihr ein Gleitlager. Die Lagerbuchse 40, hier als Bundbuchse ausgeführt, kann in die Lageröffnung 28 eingepresst werden oder mittels Zwei-Komponenten Spritzverfahren hergestellt werden. Sind die Segmente 22, 24 und 32, 34 aus einem geeigneten Werkstoff, beispielsweise Kunststoff, hergestellt, kann die Lagerbuchse 40 auch entfallen, jedoch müssen dann in der Lageröffnung 28 Schmiernuten 44 vorgesehen sein.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 11 ist die drehbare Lagerung des Lagerbolzens 26 durch ein Nadellager 42 umgesetzt, wobei zur Gewährleistung einer verbesserten Lagerpressung Nuten 144 am Umfang der Lageröffnung 28 vorgesehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19289990 A1 [0003, 0022]
- DE 10001270 A1 [0004]
- DE 2601026 A1 [0005]
- US 3878695 [0006]

Claims

Kardangelenk (10), insbesondere für Lenkspindeln (72) von Kraftfahrzeugen, mit – zwei Gelenkgabeln (14, 16), die mit je einer Welle verbindbar sind und je ein Paar Lagermittel aufweisen, – einem zwischen den Gelenkgabeln (14, 16) angeordneten Gelenkteil (12) mit zwei Paar Komplementär-Lagermitteln, die zwei einander kreuzende oder windschiefe Gelenkachsen (B₁,B₂) definieren, und – einer zumindest Drehschwingungen dämpfenden, im Gelenkteil (12) angeordneten Dämpferanordnung (50), wobei die beiden Gelenkgabeln (14, 16) unter paarweisem Zusammenwirken der Lagermittel und Komplementär-Lagermittel über das Gelenkteil (12) miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkteil (12) zwei Segmentpaare (20, 30) umfasst, von denen jedes Segment (22, 24 und 32, 34) separat ausgebildet und mit jeweils einem Komplementär-Lagermittel verbunden ist, und dass jeweils zwei benachbarte Segmente (22, 24 und 32, 34) über in Richtung quer zu den Gelenkachsen (B₁, B₂) deformierbare Dämpfungskörper (51₁ , 51₂ , 51₃ , 51₄ ) der Dämpferanordnung (50) miteinander gekoppelt sind.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Lagermittel einen Lagerbolzen (26) und jedes der Komplementär-Lagermittel eine jeweils einen Lagerbolzen (26) aufnehmende Lageröffnung (28) umfasst.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageröffnung (28) in einer Lagerbuchse (40) oder in einem Wälzkörperlager (42) ausgebildet ist, die bzw. das in einem Segment (22, 24 und 32, 34) aufgenommen ist.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbolzen (26) variabel in die Gelenkgabel (14, 16) einbringbar sind, wobei nach Maßgabe der Stellung des Lagerbolzens (26) in der Gelenkgabel (14, 16) die Dämpferanordnung (50) des Gelenkteils (12) vorspannbar ist.
Kardangelenk (10) nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbolzen (26) eine Dichtfläche (36) zum Abdichten der Lageröffnung (28) aufweisen.
Kardangelenk (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageröffnung (28) mit Schmiernuten (44) ausgebildet ist.
Kardangelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkteil (12) scheibenförmig ausgebildet und in wenigstens vier Segmente (22, 24 und 32, 34) unterteilt ist, wobei zwischen einander gegenüberliegenden Stirnflächen zweier benachbarter Segmente (22, 24 und 32, 34) wenigstens ein Dämpfungskörper (51₁ , 51₂ , 51₃ , 51₄ ) angeordnet ist.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskörper (51₁ , 51₂ , 51₃ , 51₄ ) miteinander verbunden sind.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskörper (51₁ , 51₂ , 51₃ , 51₄ ) aus einem elastischen Material, vorzugsweise aus Gummi, hergestellt sind.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskörper (51₁ , 51₂ , 51₃ , 51₄ ) an die Stirnflächen der Segmente (22, 24 und 32, 34) anvulkanisiert sind.
Kardangelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (22, 24 und 32, 34) gegenüber ihren Stirnflächen erhabene Anschlagflächen (46) aufweisen.
Kardangelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen zweier benachbarter Segmente (22, 24 und 32, 34) jeweils ein flächiges Einlageteil (158₁ , 158₂ , 158₃ , 158₄ ) vorgesehen ist, und dass das Einlageteil (158₁ , 158₂ , 158₃ , 158₄ ) über jeweils einen Dämpfungskörper (51₁ , 51₂ , 51₃ , 51₄ ) mit den ihm zugewandten Stirnflächen verbunden ist.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlageteil (158₁ , 158₂ , 158₃ , 158₄ ) und die Dämpfungskörper (51₁ , 51₂ , 51₃ , 51₄ ) verschiedene Steifigkeiten aufweisen.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Segmenten (22, 24 und 32, 34) angeordneten Einlageteile (158₁ , 158₂ , 158₃ , 158₄ ), vorzugsweise zu einem Einlagekreuz (159), einstückig miteinander verbunden sind.
Kardangelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskörper (51₁ , 51₂ , 51₃ , 51₄ ) in Richtung orthogonal zu den Gelenkachsen (B₁, B₂) deformierbar sind.
Kardangelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseits des Gelenkteils (12) Sicherungsscheiben (52) vorgesehen sind, die über einen Anker (54) miteinander verbunden sind.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsscheiben (52) in Richtung einer zu den Gelenkachsen (B₁, B₂) im wesentlichen orthogonalen Längsachse (A) in Abstand (d) zu dem Gelenkteil (12) angeordnet sind.
Kardangelenk (10) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkteil (12), vorzugsweise jedes Segment (22, 24 und 32, 34) des Gelenkteils (12), an seinen den Sicherungsscheiben (52) jeweils zugewandten Oberflächen Puffermittel (60) aufweist.
Kardangelenk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zentrale Montageöffnungen (162) in dem Gelenkteil (12).