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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Gleichlauffestgelenk, das beispielsweise
als radseitiges Gelenk in einer Vorderachs-Seitenwelle eines Kraftfahrzeugs eingesetzt
werden kann.
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Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein Gleichlauffestgelenk umfassend
ein Gelenkaußenteil mit an seinem Innenumfang vorgesehenen Kugellaufbahnen,
ein Gelenkinnenteil mit an seinem Außenumfang vorgesehenen
Kugellaufbahnen, wobei jeweils eine Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil und
eine Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil ein Kugellaufbahnpaar bilden,
in den Kugellaufbahnpaaren angeordnete Kugeln, sowie einen zwischen
dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil angeordneten
Käfig, der in Umfangsrichtung Fenster zur Aufnahme jeweils
einer Kugel aufweist.
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An
Vorderachs-Seitenwellen werden als radseitige Festgelenke in der
Regel Gelenke in RF-/UF-Bauart eingesetzt, deren Kugellaufbahnmittelachsen
in Radialebenen verlaufen, die die jeweilige Längsachse
des Gelenkaußenteils bzw. Gelenkinnenteils einschließen.
Beim Beugen des Gelenks werden die Kugeln durch den Käfig
in eine Halbwinkelebene gesteuert, die zwischen den im Fall einer Beugung
des Gelenks zueinander angewinkelten Längsachsen des Gelenkaußenteils
und des Gelenkinnenteils aufgespannt wird. Bei kleinen Beugewinkeln
weisen die hierbei auftretenden Axialkräfte der Kugeln
in die gleiche Richtung und werden vom Käfig aufgenommen.
Der Käfig ist an gekrümmten Wandabschnitten des
Gelenkaußenteils und das Gelenkinnenteils geführt.
Die Axialkräfte der Kugeln drücken somit den Käfig
gegen dessen Führungsbahnen am Gelenkaußenteil
bzw. Gelenkinnenteil. In Abhängigkeit des zu übertragenden
Drehmoments können hierbei Stützkräfte
von einigen hundert Newton auftreten. Diese Kräfte wirken
auf radial weit von den Beugeachsen des Gelenkaußenteils
und Gelenkinnenteils beabstandete Kontaktflächen zwischen dem
Käfig und dem Gelenkaußenteil bzw. dem Gelenkinnenteil,
wodurch sich bei Beugung des Gelenks ein entsprechend hohes Reibmoment
einstellt. Durch die bei Drehung des Gelenks entstehende Reibleistung
wird der Wirkungsgrad des Gelenks begrenzt. Zudem führt
die Reibung zu einer Erwärmung.
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Aus
der
DE 10 2004
018 777 A1 ist ein so genanntes Gegenbahngelenk bekannt,
bei dem durch abwechselnde Öffnungswinkel an in Umfangsrichtung
aufeinander folgenden Kugellaufbahnpaaren an den Kugeln einander
entgegengerichtete Axialkräfte erzeugt werden, die sich
gegenseitig ausgleichen. Im Idealfall ist der Käfig hierdurch
nach außen axialkraftfrei. Die an diesem angreifenden Axialkräfte
der Kugeln heben sich gegeneinander auf.
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Ein
Ausgleich der Axialkräfte der Kugeln kann auch bei so genannten
VL-Gelenken erzielt werden, bei denen sich die einander gegenüberliegenden
Kugellaufbahnen am Gelenkaußenteil und am Gelenkinnenteil
kreuzen. Derartige Gelenke sind unter anderem aus der
DE 10 2004 062 843 A1 ,
der
DE 103 53 608
A1 , der
DE
38 18 730 A1 und der
DE 31 02 871 A1 bekannt. Allerdings handelt
es sich hierbei nicht um Festgelenke, sondern um Verschiebegelenke
ohne festgelegtes Beugezentrum. Die geschrägten Kugellaufbahnen
sind dementsprechend gerade ausgeführt. Üblicherweise
werden VL-Gelenke auf der Differenzialseite eingesetzt und weisen
einen maximalen Beugewinkel von 25° auf.
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Durch
eine axiale Festlegung des Käfigs kann, wie in der
DE 10 2004 031 154
A1 der Volkswagen AG beschrieben, über sphärische
Kontaktflächen ein Festgelenk mit gekreuzten Kugellaufbahnen erhalten
werden.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
neuen Festgelenktyp zu schaffen, der sich vor allem im Hauptbetriebsbereich
bei kleinen Beugewinkeln durch einen verbesserten Wirkungsgrad und
geringe Reibungsverluste auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Gleichlauffestgelenk gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Das erfindungsgemäße Gleichlauffestgelenk
umfasst ein Gelenkaußenteil mit an seinem Innenumfang vorgesehenen
Kugellaufbahnen, ein Gelenkinnenteil mit an seinem Außenumfang
vorgesehenen Kugellaufbahnen, wobei jeweils eine Kugellaufbahn am
Gelenkaußenteil und eine Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil ein
Kugellaufbahnpaar bilden, in den Kugellaufbahnpaaren angeordnete
Kugeln, sowie einen zwischen dem Gelenkaußenteil und dem
Gelenkinnenteil angeordneten Käfig, der in Umfangsrichtung
Fenster zur Aufnahme jeweils einer Kugel aufweist. Das erfindungsgemäße
Gelenk zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Beugewinkelbereich
des Gelenks von 0° bis X eine Steuerung des Gelenks allein durch
gekreuzte Kugellaufbahnen bewirkt wird, und in einem zweiten Winkelbereich
von X bis zum maximalen Beugewinkel des Gelenks durch einen Doppeloffset
einer im wesentlichen kugelförmigen Außenfläche
und einer im wesentlichen kugelförmigen Innenfläche
des Käfigs bezogen auf das Beugezentrum des Gelenks eine
Steuerung des Gelenks bewirkt wird, wobei X 5 bis 15° beträgt.
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Hierdurch
ist es möglich, den wirkungsgradrelevanten Beugewinkelbereich
eines Gleichlauffestgelenkes mit einem sehr reibleistungsarmen Steuerungssystem
abzudecken. Bei großen Beugewinkeln ist der Wirkungsgrad
des Gelenks hingegen von eher geringer Bedeutung, so dass für
diesen Bereich ein anderes Steuerungssystem einsetzbar ist, selbst
wenn dadurch der Wirkungsgrad in diesem Winkelbereich sinkt.
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Bei
Beugewinkeln bis maximal etwa 15° arbeitet das Gelenk nach
dem VL-Prinzip, das heißt die Lage der einzelnen Kugeln
wird durch die Schnittpunkte der korrespondierenden Laufbahnen bestimmt.
In diesem Arbeitsbereich kann sich das Gelenk zudem geringfügig
axial verschieben. Eine solche Verschiebbarkeit ist zwar im Hinblick
auf den Einbau an der Radseite einer Seitenwelle aus Funktionssicht
nicht notwendig. Sie vermeidet allerdings eine parallele Steuerwirkung über
den Doppeloffset des Käfigs. Durch den axialen Freiheitsgrad
steigen die Lebensdauer und der Wirkungsgrad des Gelenks. Darüber
hinaus können die betreffenden Flächen mit größeren
Fertigungstoleranzen hergestellt werden, woraus eine Fertigungserleichterung
resultiert.
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Die
Verschiebbarkeit nimmt mit zunehmendem Beugewinkel ab. Insbesondere
kann vorgesehen werden, dass ein zwischen dem Gelenkaußenteil
und dem Gelenkinnenteil bei einem Beugewinkel von 0° bestehendes
Axialspiel mit zunehmendem Beugewinkel, vorzugsweise bei dem oben
genannten Beugewinkel X, auf 0 abklingt, so dass im Bereich der
Doppeloffsetsteuerung Spielfreiheit gewährleistet wird.
Im ersten Winkelbereich von 0° bis X kommt das hier vorgeschlagene
Gleichlauffestgelenk somit ohne die Nachteile einer Doppelpassung
zwischen Gelenkinnenteil und Gelenkaußenteil aus, die für Festgelenke
herkömmlicher Bauart in Kauf genommen werden müssen.
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Die
oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Gleichlauffestgelenk
gemäß Patentanspruch 3 gelöst. Dieses
zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Gelenkaußenteil
und dem Gelenkinnenteil bei einem Beugewinkel von 0° ein
Axialspiel besteht, das mit zunehmendem Beugewinkel auf 0 abnimmt.
Dies gestattet beispielsweise den vorstehend beschriebenen Einsatz
von zwei verschiedenen Steuersystemen an einem Gelenk sowie größere Fertigungstoleranzen.
Dieses Prinzip kann auch auf andere Gelenktypen übertragen
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Axialspiel
bei einem Beugewinkel im Bereich von 5 bis 15° auf 0 abklingt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen
angegeben.
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Vorzugsweise
beträgt das Axialspiel bei 0° Beugewinkel maximal
5% des Wälzkreisdurchmessers der Kugeln und liegt bei für
Personenkraftfahrzeugen geeigneten Gelenken in der Größenordnung von
maximal 0,1 bis 3 mm. Wie oben bereits ausgeführt, verschwindet
dieses Spiel bei größeren Beugewinkeln.
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Das
Gelenkinnenteil weist eine vorzugsweise im Wesentlichen kugelförmige
Außenfläche auf. Ferner weist der Käfig
eine im Wesentlichen kugelförmige Innenfläche
auf, die der im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche
des Gelenkinnenteils radial gegenüberliegt. Dabei ist zwischen
dem Gelenkinnenteil und dem Käfig bei einem Beugewinkel
von 0° ein Axialspiel vorgesehen ist, welches sich bei Beugung
des Gelenks verringert.
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Dieses
Axialspiel kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die
im wesentlichen kugelförmige Außenfläche
des Gelenkinnenteils mindestens einen kugelförmigen Abschnitt
und mindestens einen gegenüber der Kugelform freigestellten Abschnitt
aufweist, und die im wesentlichen kugelförmige Innenfläche
des Käfigs mindestens einen kugelförmigen Abschnitt
und mindestens einen gegenüber der Kugelform freigestellten
Abschnitt aufweist. Die genannten Abschnitte sind dabei derart angeordnet,
dass bei 0° Beugewinkel freigestellte Abschnitte kugelförmigen
Abschnitten mit Spiel gegenüberliegen, bei größeren
Beugewinkeln hingegen kugelförmige Abschnitte miteinander
in Gleiteingriff stehen.
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Vorzugsweise
weisen das Gelenkaußenteil einen im wesentlichen kugelförmigen
Innenflächenabschnitt und der Käfig eine im Wesentlichen
kugelförmige Außenfläche auf. Zwischen
diesen einander radial gegenüberliegenden Flächen
ist ein Axialspiel vorgesehen, das beispielsweise durch einen zylindrischen
Mittelabschnitt am Innenflächenabschnitt des Gelenkaußenteils
realisiert werden kann. Der Käfig ist in diesem Fall mit
seiner im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche
an dem Mittelabschnitt geführt.
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Hierdurch
muss sich die im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche
des Käfigs im Gelenkaußenteil nicht in einer exakten
Kugelfläche bewegen. Durch die Führung an einem
zylindrischen Abschnitt werden zwischen dem Käfig und dem
Gelenkaußenteil keine nennenswerten Axialkräfte übertragen. Dementsprechend
ist die erzeugbare Reibleistung zwischen dem Käfig und
dem Gelenkaußenteil im Vergleich zu UF-/RF-Gelenken geringer.
Die gleichwohl im wesentlichen kugelförmige Gestaltung
des Innenflächenabschnitts des Gelenkaußenteils
ermöglicht vor allem bei gekrümmten Kugellaufbahnen eine
große Umschlingung der Kugeln in den Laufbahnen bei großen
Beugewinkeln und damit eine verbesserte Tragfähigkeit der
Kugellaufbahnen, was für die Lebensdauer des Gelenks von
Vorteil ist.
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Zur
Bereitstellung eines Offsets am Käfig ist in vorteilhafter
Ausgestaltung der Krümmungsmittelpunkt der kugelförmigen
Innenfläche des Käfigs gegenüber dem
Gelenkbeugezentrum, um das der Käfig bei einer Beugung
des Gelenks schwenkt, axial versetzt. Entsprechend kann auch der
Krümmungsmittelpunkt der im Wesentlichen kugelförmigen
Außenfläche des Käfigs gegenüber
dem Gelenkbeugezentrum axial versetzt sein.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist der axiale Offset der Krümmungsmittelpunkte
der im Wesentlichen kugelförmigen Innen- und Außenflächen
des Käfigs vom Gelenkbeugezentrum betragsmäßig gleich
groß. Vorzugsweise liegt das Gelenkbeugezentrum zwischen
diesen Krümmungsmittelpunkten.
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Der
axiale Offset beträgt vorzugsweise weniger als 5% des Wälzkreisdurchmessers
der Kugeln am ungebeugten Gelenk. Bei in Personenkraftfahrzeugen üblicherweise
eingesetzten Gelenken beträgt der axiale Offset maximal
4 mm, vorzugsweise weniger als 2,5 mm. Dieser axiale Offset ist
im Vergleich zu Gelenken mit herkömmlicher Doppeloffsetsteuerung
für den Kugelkäfig verhältnismäßig
klein. Üblicherweise wird bei gleichem Drehmomentübertragungspotential
ein Offset von mindesten 5 mm vorgesehen, um die Steuerung zu bewirken.
Der vergleichsweise kleine axiale Offset ermöglicht noch verhältnismäßig
gleichmäßige Wandstärken am Käfig,
so dass sich dieser im Vergleich zu Käfigen für reine
DO-Gelenke mit geringerem Aufwand herstellen lässt. Insbesondere
bleiben die Umformgrade am Käfig geringer und die Herstellung
der Käfigfenster einfacher.
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Die
Steuerung des Gelenks erfolgt bei kleinen Beugewinkeln bevorzugt über
mindestens drei Kugellaufbahnpaare, die jeweils durch eine geschrägte
Kugellaufbahn am Gelenkauflenteil und eine umgekehrt geschrägte
Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil gebildet werdend.
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Vorzugsweise
sind an jedem Gelenkbauteil eine gleiche Anzahl rechts- und linksgeschrägter
Kugellaufbahnen vorgesehen, so dass der Käfig zumindest
bei kleinen Beugewinkeln im wesentlichen Axialkraft frei ist. Einzelne
Kugellaufbahnpaare können auch ungeschrägt vorgesehen
werden. Die Anzahl der Kugellaufbahnpaare bemisst sich nach den
jeweiligen Gegebenheiten und kann beispielsweise vier, fünf,
sechs, sieben, acht oder neun betragen.
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Bevorzugte
Schrägungswinkel liegen im Hinblick auf den ersten Winkelbereich
in der Größenordnung von 6° bis 12°.
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Bei
herkömmlichen VL-Gelenken sind üblicherweise gerade
Kugellaufbahnen vorgesehen. In vorteilhafter Ausgestaltung kommen
hier jedoch zumindest teilweise gekrümmte Kugellaufbahnen
zum Einsatz.
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Bevorzugt
weisen die gekrümmten Laufbahnabschnitte des Gelenkinnenteils
und des Gelenkaußenteils bezogen auf eine Mittelstellung
des Gelenks einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt auf.
Infolge des Axialspiels können sich bei kleinen Beugewinkeln
zunächst geringfügige Abweichungen ergeben, die
jedoch bei Aufhebung des Axialspiels zu 0 werden. Ein Laufbahnoffset,
das heißt auseinander fallende Krümmungsmittelpunkte,
wie er bei UF-, RF- oder RO-Gelenken vorgesehen wird, unterbleibt.
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Im
Hinblick auf die Verwendung unterschiedlicher Steuersysteme kann
ferner vorgesehen werden, dass sich die gekrümmten Laufbahnabschnitte über
einen Winkelbereich erstrecken, in dem das Axialspiels bzw. ein
axialer Verschiebeweg auf 0 abklingt. Außerhalb dieses
ersten Winkelbereichs sind die gekrümmten Laufbahnabschnitte
schwächer gekrümmt oder abgeflacht. Beispielsweise
können an die gekrümmten Laufbahnabschnitte außerhalb
des Winkelbereichs, in dem der axialer Verschiebeweg auf 0 abklingt,
tangential gerade Laufbahnabschnitte anschließen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine
Längsschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
für ein Gleichlauffestgelenk nach der Erfindung im ungebeugten
Zustand,
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2 eine
schematische Darstellung gekreuzter Kugellaufbahnebenen,
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3 eine
weitere Längsschnittansicht des Gelenks aus 1 mit
in die Zeichnungsebene projizierten Kugellaufbahnen,
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4 eine
Darstellung entsprechend 1 mit einer maximalen axialen
Verschiebung zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Gelenkaußenteil
in einer ersten Extremstellung (links),
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5 eine
Darstellung entsprechend 1 mit einer maximalen axialen
Verschiebung zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Gelenkaußenteil
in einer zweiten Extremstellung (rechts)
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6 eine
Längsschnittansicht des Gelenks nach 1 bei
einem Beugewinkel von 10° und gerade aufgehobenem Axialspiel,
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7 eine
Längsschnittansicht des Gelenks nach 1 bei
einem maximalen Beugewinkel von 48°,
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8 eine
Detailansicht im Wesentlichen kugelförmiger Flächen
am Gelenkinnenteil, Gelenkaußenteil und Käfig,
wobei die Abweichungen von einer Kugelform zum Zweck der Veranschaulichung überproportional
dargestellt sind, und in
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9 eine
Ansicht entsprechend 8 bei 10° Beugewinkel.
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Das
in den 1 bis 9 dargestellte Ausführungsbeispiel
zeigt ein Gleichlauffestgelenk 1 mit einem Gelenkaußenteil 2 und
einem Gelenkinnenteil 3. Dabei ist das als Nabe mit Innenverzahnung
ausgeführte Gelenkinnenteil 3 in dem glockenförmigen Gelenkaußenteil 2 angeordnet.
An einander gegenüberliegenden im wesentlichen kugelförmigen
Innen- und Außenflächen 4 und 5 des
Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 sind
jeweils eine Vielzahl von Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 ausgebildet,
die einander gegenüberliegende Kugellaufbahnpaare bilden. Zwischen
dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 ist
weiterhin ein Käfig 9 angeordnet, der an seinem
Umfang eine Vielzahl von Fenstern 10 aufweist. In diesen
Fenstern 10 ist jeweils eine Kugel 11 angeordnet,
die in einem Kugellaufbahnpaar gehalten ist, um ein Drehmoment zwischen
dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 zu übertragen.
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Die
Kugellaufbahnen 7 und 8 mindestens eines Kugellaufbahnpaares
sind zur jeweiligen Längsmittelachse A bzw. B des betreffenden
Gelenkbauteils 2 bzw. 3 geschrägt, so
dass sich diese kreuzen, wie dies in 2 angedeutet
ist. Über die Kugeln 11 in den gekreuzten Kugellaufbahnpaaren 7 und 8 wird der
Käfig 9 bei einer Beugung des Gelenks in einem ersten
Winkelbereich bei kleinen Beugewinkeln α in eine Halbwinkelebene
zwischen den dann zueinander angewinkelten Längsachsen
A und B des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 gesteuert.
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Der
Schrägungswinkel δ liegt hier in der Größenordnung
von 6 bis 12° bezogen auf die jeweilige Längsmittelachse
A bzw. B. Vorzugsweise weisen die Kugellaufbahnen 7 und 8 eines
Kugellaufbahnpaares betragsmäßig gleiche Schrägungswinkel δ auf.
Die Aufeinanderfolge unterschiedlich ausgerichteter Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 kann
prinzipiell frei gewählt werden. Allerdings lassen sich
durch besondere Anordnungsmuster das Drehmomentübertragungspotenzial
des Gelenks weiter verbessern sowie die verbleibenden Beugemomente
um die Gelenkachsen positiv beeinflussen.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kugellaufbahnen 7 am
Gelenkaußenteil 2 jeweils abwechselnd nach links
und, rechts geschrägt. Die zugehörigen Kugellaufbahnen 8 am
Gelenkinnenteil 3 sind dementsprechend umgekehrt jeweils
abwechselnd nach rechts und links geschrägt. Es können
jedoch auch einzelne ungeschrägte Kugellaufbahnpaare vorgesehen
werden.
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Vorzugsweise
ist die Anzahl rechts- und linksgeschrägter Kugellaufbahnen 7 bzw. 8 an
jedem Gelenkbauteil 2 bzw. 3 gleich groß.
Bei entsprechender Wahl des Schrägungswinkels δ,
der zwischen einzelnen Laufbahnpaaren auch variieren kann, können
so die auf den Käfig 9 einwirkenden Axialkräfte gegeneinander
ausgeglichen werden.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass
die Steuerung des Gelenks in einem ersten Beugewinkelbereich von
0° bis 10° allein durch die gekreuzten Kugellaufbahnpaare
bewirkt wird. In einem zweiten Winkelbereich von 10° bis
zum maximalen Beugewinkel des Gelenks, der vorliegend bei etwa 48° liegt,
erfolgt die Steuerung zusätzlich über einen unten
näher erläuterten Doppeloffset am Käfig 9.
Zur Vermeidung einer "Doppelsteuerung" ist vorgesehen, dass zwischen
dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 bei
einem Beugewinkel von 0° ein Axialspiel in Form eines axialen
Verschiebewegs besteht, das mit Ende des ersten Beugewinkelbereichs,
das heißt hier bei etwa 10° auf 0 abklingt. Der Übergang
vom ersten Winkelbereich zum zweiten Winkelbereich ist bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel bei 10° Beugewinkel angenommen.
Je nach Bedarf kann dieser jedoch im Bereich zwischen 5 und 15° Beugewinkel
gewählt werden.
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Bei
Beugewinkeln bis ca. 10° arbeitet das Gelenk somit nach
dem VL-Prinzip, wonach sich die Lage der einzelnen Kugeln 11 durch
die Schnittpunkte der korrespondierenden Laufbahnen 7 und 8 bestimmt.
In diesem Arbeitsbereich kann sich das Gelenk geringfügig
axial verschieben, wie dies in den 5 und 6 anhand
von zwei entgegengesetzten Extremstellungen dargestellt ist. 5 zeigt
das Gelenkinnenteil 3 in einem axial maximal in das Gelenkaußenteil 2 hineingeschobenen
Zustand, während 6 die umgekehrte
Extremposition mit maximal zur Öffnungsseite verschobenem
Gelenkinnenteil 3 zeigt.
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Die
Verschiebbarkeit nimmt mit zunehmendem Beugewinkel ab. Im ausgeführten
Beispiel beträgt der maximale Verschiebeweg bei 0° Beugewinkel
ca. 2,5 mm und nimmt mit wachsendem Beugewinkel ab, bis bei Einsetzen
der Doppeloffsetsteuerung des Käfigs 9, d. h.
hier bei ca. 10° Beugewinkel, keine axiale Bewegung mehr
möglich ist. Die Steuerung des Axialspiels in Abhängigkeit
des Beugewinkels übernehmen die korrespondieren Flächen
am Gelenkinnenteil 3 und am Käfig 9.
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Eine
Möglichkeit zur Erzeugung eines variablen Axialspiels ist
in den 8 und 9 dargestellt. Hierzu ist die
im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche 5 des
Gelenkinnenteils 3 mit einem zentralen kugelförmigen
Abschnitt 51 und zwei seitlich benachbarten
und gegenüber der Kugelform freigestellten Abschnitten 52 ausgebildet. An einer korrespondierenden,
im Wesentlichen kugelförmigen Innenfläche 13 des
Käfigs 9 sind zwei seitliche kugelförmige
Abschnitt 131 und ein zentraler,
gegenüber der Kugelform freigestellter Abschnitt 132 vorgesehen. Dabei sind die genannten
Abschnitte derart angeordnet, dass bei 0° Beugewinkel,
wie in 8 gezeigt, freigestellte Abschnitte 52 und 132 kugelförmigen
Abschnitten 131 bzw. 51 mit Axial- und Radialspiel gegenüberliegen,
bei größeren Beugewinkeln, wie in 9 gezeigt,
hingegen kugelförmige Abschnitte 131 bzw. 51 am Gelenkinnenteil 3 und
Käfig 9 miteinander in Gleiteingriff stehen. Die
Abweichung der freigestellten Abschnitte 52 und 132 von der Kugelform ist hier überproportional
dargestellt. Selbstverständlich kann die Anordnung der
kugelförmigen und freigestellten Abschnitte am Gelenkinnenteil 3 und
Käfig 9 auch umgekehrt werden. Auch andere Anordnungsstrukturen,
welche ein mit zunehmendem Beugewinkel abnehmendes Axialspiel ermöglichen,
sind vorliegend einsetzbar.
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Um
das Entstehen freier Axialkräfte am Käfig im ersten
Winkelbereich zu vermeiden, sind die Kugellaufbahnen 7 und 8 mit
einem in diesem Bereich wirksam gekrümmten Laufbahnabschnitt 71 bzw. 81 ausgebildet.
Der Verlauf der Kugellaufbahnen 7 und 8 innerhalb
der jeweils zur Längsmittelachse A bzw. B geschrägten
Laufbahnebenen ist in 3 anhand der Laufbahnmittellinien
angedeutet, wobei die Laufbahnebenen in die Zeichnungsebene projiziert sind. Wie 3 zeigt,
besitzen die gekrümmten Laufbahnabschnitt 71 bzw. 81 bezogen
auf eine Gelenkmittelstellung einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt M.
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An
die gekrümmten Laufbahnabschnitt 71 bzw. 81 schließen sich in beiden
Richtungen tangential schwächer gekrümmte oder
gerade Laufbahnabschnitte 72 bzw. 82 an. Diese Laufbahnabschnitte 72 bzw. 82 liegen
vorzugsweise außerhalb des ersten Winkelbereichs, in dem
das Axialspiel des Gelenks auf 0 abklingt. Sobald die Kugeln 11 in
diese Bereiche gelangen, erzeugen sie nicht mehr ausgeglichene Axialkräfte
auf den Käfig 9. Diese müssen dann zwischen
dem Käfig 9 und dem Gelenkinnenteil 3 abgestützt
werden. Durch diese Kräfte entstehen Reibmomente, die den
Wirkungsgrad des Gelenkes reduzieren. Deshalb sind die Radien der
Kugellaufbahnen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
so ausgelegt, dass erst bei Beugewinkeln oberhalb etwa 10° freie
Axialkräfte entstehen und der Wirkungsgrad schlechter wird.
Dieser Beugewinkelbereich wird im Fahrzeug jedoch nur selten erreicht,
beispielsweise bei sehr engen Kurven oder beim Parkieren, so dass der
dann schlechter werdende Wirkungsgrad ohne große Bedeutung
ist.
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Die
Steuerung der Kugeln 11 in die winkelhalbierende Ebene
des Gelenks funktioniert mit dem Prinzip der sich kreuzenden Laufbahnen
nur bis zu einem Grenzbeugewinkel, der vom Schrägungswinkel
der Kugellaufbahnen 7 und 8 abhängig
ist: Je größer der Schrägungswinkel der
Kugellaufbahnen 7 und 8 ist, desto größer
ist der damit erreichbare Beugewinkel. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
beträgt der Schrägungswinkel 9°, so dass
bis ca. 10° bis 14° Gelenk-Beugewinkel dieses
System die Steuerung der Kugeln 11 in die winkelhalbierende
Ebene übernehmen kann. Bei weiter steigenden Beugewinkeln
versagt dieses Steuerungssystem, da dann einzelne Kugellaufbahnpaare
in die Nähe der Parallelität gelangen, so dass
kein eindeutiger Schnittpunkt zwischen den Laufbahnmittellinien
des Gelenkinnenteils 3 und des Gelenkaußenteils 2 mehr
vorliegt.
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Bei
größeren Beugewinkeln, das heißt im zweiten
Winkelbereich, kommt ein zweites Steuerungssystem zum Einsatz, das
nach dem Doppel-Offset-Prinzip den Kugelkäfig 9 steuert,
wie dies in 7 angedeutet ist.
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Hierbei
ist der Käfig 9 über eine im Wesentlichen
kugelförmige Außenfläche 12,
die gegenüber der Gelenk- und Käfigmittelebene
K in Axialrichtung versetzt ist, im Gelenkaußenteil 2 geführt.
Mit einer um den gleichen Betrag zur Käfigmittelebene in
entgegengesetzter Axialrichtung versetzten, im Wesentlichen kugelförmigen
Innenfläche 13 bewegt sich der Käfig 9 auf
dem Gelenkinnenteil 2. Für dieses Steuerungssystem
sollte kein axiales Spiel zwischen dem Käfig 9 und
dem Gelenkinnenteil 3 mehr vorhanden sein, da sonst der
Betrag des Offsets zwischen dem Gelenkinnenteil 3 und dem
Käfig 9 variabel wäre. Über
die korrespondierenden Flächen ist sichergestellt, dass
oberhalb von 10° Beugewinkel das axiale Spiel aufgehoben
wird.
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Wie
die 2 und 7 zeigen, liegt die im Wesentlichen
kugelförmige Außenfläche 5 Gelenkinnenteils 3 der
im Wesentlichen kugelförmigen Innenfläche 13 des
Käfigs 9 radial gegenüber. Der KrOmmungsmittelpunkt
Mai der kugelförmigen Innenfläche 13 des
Käfigs 9 ist gegenüber dem Gelenkbeugezentrum
Z, um das der Käfig 9 bei einer Beugung des Gelenks
schwenkt, axial um den Offset OMKI versetzt.
Zwischen dem Gelenkinnenteil 3 und dem Käfig 9 ist
bei einem Beugewinkel von 0° ein Spiel vorgesehen ist,
welches sich bei Beugung des Gelenks auf 0 verringert. 6 zeigt
bei 10° Beugewinkel entsprechende lokale Anlagebereiche 5a/13a zwischen
den im Wesentlichen kugelförmigen Flächen 5 und 13 sowie
durch einen kleinen Spalt voneinander beabstandete Abschnitte 5b/13b an
denselben.
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Das
Gelenkaußenteil 2 liegt mit einem im Wesentlichen
kugelförmigen Innenflächenabschnitt 4 der
im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche 12 des
Käfigs 9 radial gegenüber. Dabei ist
der Krümmungsmittelpunkt MKA der
im Wesentlichen kugelförmigen Außenfläche 12 des
Käfigs 9 gegenüber dem Gelenkbeugezentrum
Z zur anderen Seite versetzt, wobei der Offset OMKA betragsmäßig
dem Offset OMKI entspricht.
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Zwischen
dem Gelenkaußenteil 2 und dem Käfig 9 ist
ein kleines Axialspiel vorgesehen, das insbesondere in den 8 und 9 zu
erkennen ist. Dazu bildet der im Wesentlichen kugelförmige
Innenflächenabschnitt 4 einen zylindrischen Mittelabschnitt 15 aus,
an dem der Käfig 9 mit seiner im Wesentlichen
kugelförmigen Außenfläche 12 geführt
ist. Da sich die im Wesentlichen kugelförmige Außenfläche 12 des
Käfigs 9 im Gelenkaußenteil 2 nicht
in einer Kugelfläche bewegen muss, sondern in einer Zylinderfläche
geführt ist, können zwischen dem Käfig 9 und
dem Gelenkaußenteil 2 keine nennenswerten Axialkräfte übertragen
werden. Dementsprechend ist bei diesem Gelenktyp im Vergleich zu
UF-/RF-Gelenken die erzeugbare Reibleistung zwischen dem Käfig 9 und
dem Gelenkaußenteil 2 kleiner. Weiterhin können
die Innendrehkontur des Gelenkaußenteils 2 und die
Außenfläche 12 des Käfigs 9 mit
deutlich größeren Toleranzen als bei herkömmlichen
Festgelenken gefertigt werden.
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Die
kugelförmige Ausgestaltung des Innenflächenabschnitts 4 der
Gelenkaußenteils 2 dient hier vorwiegend dazu,
im Hinblick auf die Krümmung der Kugellaufbahnen 7 einen
großen Umschlingungswinkel an den Kugeln 11 bei
großen Beugewinkeln zu gewährleisten.
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Der
Offset OMKI bzw. OMKI ist
jedoch wesentlich kleiner als an herkömmlichen DO-Gelenken.
Im vorliegenden Beispiel beträgt dieser Offest etwa 2 mm
und damit deutlich weniger als 5% des Wälzkreisdurchmessers
der Kugeln am ungebeugten Gelenk. Bei einem Gelenk herkömmlicher
Bauweise würde dieser bei vergleichbarer Gelenkgröße
mindestens doppelt so groß sein. Käfige mit herkömmlichen
DO-Steuerungsflächen haben den Nachteil, dass die Materialstärke
entlang der Rotationsachse nicht gleichmäßig ist.
Der Käfig weist sozusagen eine dicke und eine dünne
Seite auf. Dies bringt fertigungstechnische Probleme mit sich. Zum
einen ist der Käfig schlechter umformtechnisch herstellbar,
da während des Umformprozesses mittels Rollwalzen eine
Kraft in Richtung der Käfigachse entsteht und die Umformgrade
relativ hoch und ungleichmäßig werden. Zum anderen
ist es schwierig, die Fenster zu stanzen, da beim Stanzen unterschiedliche
Kräfte an den Schneiden eines Stanzwerkzeugs angreifen.
Der Effekt der ungleichförmigen Wandstärke wird
umso stärker, je größer der Offset OMKA bzw. OMKI ist.
Im vorliegenden Beispiel ist der axiale Offset mit je 2 mm sehr
klein, so dass der Käfig 9 noch einigermaßen gleichmäßige
Wandstärken besitzt. Möglich wird die Verwendung
des kleineren Offsets dadurch, dass dieses Steuerungssystem erst
bei Winkel größer 10 Grad funktionieren muss.
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Das
vorstehend erläuterte Gelenk vereint somit in vorteilhafter
Weise zwei verschiedene Steuersysteme, die bei kleinen Beugewinkeln
voneinander entkoppelt sind. Dies gestattet es, den wirkungsgradrelevanten
Beugewinkelbereich eines Gleichlauffestgelenks mit einem reibleistungsarmen
Steuerungssystem abzudecken. Bei kleinen Beugewinkeln bis etwa 10° bis
15° kommt das hier vorgeschlagene System aufgrund der geringfügigen
axialen Verschiebbarkeit ohne die Nachteile einer Doppelpassung
zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Gelenkaußenteil aus.
-
Die
Erfindung wurde vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses
beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche
definierten Ausgestaltungen.
-
- 1
- Gleichlauffestgelenk
- 2
- Gelenkaußenteil
- 3
- Gelenkinnenteil
- 4
- im
Wesentlichen kugelförmiger Innenflächenabschnitt
des Gelenkaußenteils
- 5
- im
Wesentlichen kugelförmige Außenfläche des
Gelenkinnenteils
- 51
- kugelförmiger
Abschnitt
- 52
- freigestellter
Abschnitt
- 7
- Kugellaufbahn
am Gelenkinnenteil
- 71
- gekrümmter
Laufbahnabschnitt
- 72
- abgeflachter
Laufbahnabschnitt
- 8
- Kugellaufbahn
am Gelenkinnenteil
- 81
- gekrümmter
Laufbahnabschnitt
- 82
- abgeflachter
Laufbahnabschnitt
- 9
- Käfig
- 10
- Fenster
- 11
- Kugel
- 12
- im
Wesentlichen kugelförmige Außenfläche des
Käfigs
- 13
- im
Wesentlichen kugelförmige Innenfläche des Käfigs
- 131
- kugelförmiger
Abschnitt
- 132
- freigestellter
Abschnitt
- 15
- zylindrischer
Mittelabschnitt
- A
- Längsmittelachse
des Gelenkaußenteils
- B
- Langsmittelachse
des Gelenkinnenteils
- K
- Käfig-
und Gelenkmittelebene
- M
- Krümmungsmittelpunkt
der gekrümmten Laufbahnabschnitte 71 und 81
- MKA
- Krümmungsmittelpunkt
der Käfigaußenfläche
- MKI
- Krümmungsmittelpunkt
der Käfiginnenfläche
- OMKA
- Offset
des Krümmungsmittelpunkts der Käfigaußenfläche
- OMKI
- Offset
des Krümmungsmittelpunkts der Käfigsinnenfläche
- Z
- Gelenkbeugezentrum
- α
- Beugewinkel
- δ
- Schrägungswinkel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004018777
A1 [0004]
- - DE 102004062843 A1 [0005]
- - DE 10353608 A1 [0005]
- - DE 3818730 A1 [0005]
- - DE 3102871 A1 [0005]
- - DE 102004031154 A1 [0006]