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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleichlaufgelenk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Zur Gewährleistung der Funktion des Gelenks müssen die Kugeln bei einer Beugung des Gelenks, das heißt bei einer Abwinkelung der Längsachsen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils zueinander in die so genannte Halbwinkelebene des Gelenks gesteuert werden, welche senkrecht zur Beugeachse des Gelenks verläuft. Die Beugeachse stellt die Winkelhalbierende zwischen den Längsachsen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils dar und verläuft durch deren Schnittpunkt, das so genannte Beugezentrum des Gelenks. Hierzu sind unterschiedliche Steuerungssysteme bekannt.
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Ein erstes Steuerungssystem beruht auf einem entgegengesetzten axialen Offset der Krümmungsmittelpunkte der Kugellaufbahnen am Gelenkaußenteil und am Gelenkinnenteil vom Gelenkbeugezentrum. Dieses Prinzip ist erstmals in dem
US-Patent Nr. 1,975,758 von Bernard Stuber aus dem Jahr 1934 beschrieben. Die Verwendung dieses Prinzips in Verbindung mit einem Käfig wird in dem
US-Patent Nr. 2,046,584 von Alfred Rzeppa aus dem Jahr 1936 offenbart.
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Ein zweites Steuerungssystem nutzt einen axialen Offset der Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Führungsflächen zwischen dem Käfig und dem Gelenkinnenteil sowie dem Käfig und dem Gelenkaußenteil. Dieses Prinzip ist ebenfalls aus dem
US-Patent Nr. 1,975,758 von Bernard Stuber bekannt.
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Werden an einem Gleichlaufgelenk beide Steuerungssysteme kombiniert, kann es infolge von Fertigungstoleranzen zu Zwängungen kommen, welche den Wirkungsgrad des Gelenks beeinträchtigen und den Käfig stark beanspruchen.
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Derartige Zwängungen entstehen unabhängig vom gewählten Steuerungssystem grundsätzlich immer dann, wenn die durch die Anlage der Kugeln an den Käfigfenstern definierte Ebene nicht exakt durch das tatsächliche Beugezentrum des Gelenks verläuft. Entsprechende Abweichungen können sowohl aus dem Steuerungssystem als auch aus Fertigungstoleranzen resultieren und zu einer erhöhten Reibung im Gelenk führen.
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Ein Gelenk der eingangs genannten Art ist aus der
GB 2 269 438 A bekannt. Der Käfig des Gelenks weist Fenster mit bogenförmig gekrümmten Seitenwänden auf. Der Abstand zwischen den Seitenwänden entspricht hierbei dem Durchmesser einer Kugel. Dementsprechend unterscheiden sich die Krümmungsradien der Seitenwände um den Kugeldurchmesser und weisen einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt auf. Durch die Krümmung der axialen Seitenwände der Fenster soll die Hertz'sche Pressung im Bereich der Kugelanlage verringert und dadurch die Gefahr von Beschädigungen des Käfigs reduziert werden. Die in der
GB 2 269 438 A offenbarte Gestaltung der Fenster kann jedoch ein Verklemmen bei großen Beugewinkeln nicht ausschließen.
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Weiterhin ist aus
DE 103 52 408 A1 ein Kugelverschiebegelenk bekannt. Dieses weist im Unterschied zu
GB 2 269 438 A gerade Käfigfenster auf. Die Weite der Käfigfenster ist so gewählt, dass die Kugeln in Fenstermitte, bezogen auf die Umfangsrichtung, Spiel aufweisen, welches in Umfangsrichtung ausgehend von der Fenstermitte zu den Randbereichen in eine Presspassung übergeht, um bei einem Verschiebegelenk die Montage zu erleichtern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reibung im Gelenk zu vermindern und so dessen Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gleichlaufgelenk gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Gelenk zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Kugeln zu den einander in Axialrichtung des Käfigs gegenüberliegenden gekrümmten Seitenwänden der Fenster eine sich in Umfangsrichtung des Käfigs verändernde Passung aufweisen.
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Dies ermöglicht einen Toleranzausgleich über den Drehfreiheitsgrad des Käfigs. Beim Abbeugen des Gelenks führt jede Kugel während einer Umdrehung des Gelenks eine Relativbewegung in Umfangsrichtung des zugehörigen Käfigfensters aus. Wird die Käfiganlage als gekrümmte Fläche ausgeführt, so resultiert hieraus zusätzlich eine axiale Bewegung der jeweiligen Kugel. Hierdurch verschiebt sich die Lage der durch die Kugelanlagen definierten Halbwinkelebene, so dass eine dynamische Anpassung an das von der Laufbahnsteuerung vorgegebene Drehzentrum erfolgen kann.
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Über die Abstimmung der Passung zwischen der Kugel und den gekrümmten Seitenwänden des zugehörigen Fensters erhält jede Kugel ein definiertes dynamisches Spiel, das sich je nach Stellung der Kugeln im Fenster verändert und dazu genutzt wird, Toleranzen des gewählten Steuerungssystems auszugleichen.
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Im Gegensatz zu der aus der
GB 2 269 438 A bekannten Konfiguration kann mit der erfindungsgemäßen Lösung der Kontakt zwischen einer Kugel und dem zugehörigen Käfigfenster bei geringen Beugewinkeln im wesentlichen spielfrei ausgeführt werden, während zu größeren Beugewinkeln hin ein zunehmendes Spiel vorgesehen wird, so dass eine zunehmende Reibung oder ein Verklemmen der Kugeln bei großen Beugewinkeln vermieden wird.
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Durch die Einstellung der Passung der Kugeln entlang der Umfangsrichtung der Käfigfenster kann die Reibung im Gelenk vermindert und damit dessen Wirkungsgrad erhöht werden.
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Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die gekrümmten Seitenwände durch Krümmungsradien erzeugt, deren Zentren in Axialrichtung des Käfigs zueinander versetzt sind. Hierdurch lässt sich mit geringem fertigungstechnischen Aufwand je nach Lage der Krümmungszentren zueinander ein zu den in Umfangsrichtung liegenden Fensterenden zunehmendes oder abnehmendes Spiel realisieren.
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Es ist möglich, die gekrümmten Seitenwände als Kreisbögen oder mit kreisbogenähnlichen Kurvenverläufen auszuführen.
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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 Schnittansicht eines Gleichlaufgelenks nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im gestreckten Zustand,
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2 eine Teilansicht des Gelenks aus 1 im gebeugten Zustand,
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3 eine räumliche Ansicht des Käfigs des Gelenks,
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4 eine Detailansicht eines Fensters des Käfigs mit angedeuteter Lage der zugehörigen Kugel in unterschiedlichen Stellungen, und in
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5 eine Darstellung der Einzelheit X aus 4.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt ein Gleichlauffestgelenk 1, das beispielsweise in eine Gelenkwelle eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden kann, um eine Antriebsleistung von einem Getriebe zu einem Fahrzeugvorderrad zu übertragen. Es gestattet Beugewinkel von bis zu etwa 52 Grad.
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Wie 1 zeigt, umfasst das Gleichlauffestgelenk 1 ein Gelenkaußenteil 2 und ein Gelenkinnenteil 3. Zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 ist ein Käfig 4 angeordnet, der eine Vielzahl von Fenstern 5 zur Aufnahme jeweils einer Kugel 6 ausbildet.
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Das Gelenkaußenteil 2 weist an seinem Innenumfang eine Käfigführungsfläche 7 sowie eine Vielzahl von rillenartigen Kugellaufbahnen 9 auf. In gleicher Weise sind am Außenumfang des Gelenkinnenteils 3 eine Käfigführungsfläche 8 sowie eine Vielzahl von rillenartigen Kugellaufbahnen 10 vorgesehen. Der Käfig 4 gleitet mit einer im Wesentlichen sphärischen Außenfläche 11 in der Käfigführungsfläche 7 des Gelenkaußenteils 2 und mit einer im Wesentlichen sphärischen Innenfläche 12 an der Käfigführungsfläche 8 des Gelenkinnenteils 3. Durch die Krümmung der Käfigführungsflächen 7 und 8 ist der Käfig 4 zwischen dem Gelenkinnenteil 2 und dem Gelenkaußenteil 3 axial gesichert, kann jedoch um das Beugezentrum Z des Gelenks schwenken.
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Die sphärischen Außen- und Innenflächen 11 und 12 des Käfigs 4 sowie die zugehörigen Käfigführungsflächen 7 und 8 weisen Krümmungsmittelpunkte PKa und PKi auf, die zum Beugezentrum Z um einen Offset OFFKA und OFFKi in entgegengesetzte Richtungen axial geringfügig versetzt sind.
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Über den Käfig 4 werden die Kugeln 6, die jeweils mit einer Kugellaufbahn 9 bzw. 10 des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 zum Zweck der Drehmomentübertragung in Eingriff stehen, bei einer Beugung des Gelenks in dessen Halbwinkelebene gehalten. 2 zeigt das Gelenk 1 in gebeugter Stellung, in der die Bauteilachsen A und B des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 einen Beugewinkel β einschließen. Die Bauteilachse des Käfigs 4 ist zu den Bauteilachsen A und B des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 jeweils um β /2 angewinkelt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kugellaufbahnen 9 und 10 vorzugsweise so ausgeführt, dass sich alle Kugelbahnpaare bestehend aus jeweils einer Kugellaufbahn 9 am Gelenkaußenteil 2 und einer Kugellaufbahn 10 am Gelenkinnenteil 3 in die gleiche Richtung öffnen, wodurch sich große Beugewinkel β verwirklichen lassen. Hierdurch werden bei einer Beugung des Gelenks die Kugeln 6 in einer Richtung aus dem jeweiligen Kugellaugbahnpaar herausgedrängt. Die dabei entstehenden Kräfte werden durch den Käfig 4 aufgefangen, der sich seinerseits mit seinen Außen- und Innenfläche 11 und 12 an den Käfigführungsflächen 7 und 8 des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkaußenteils 3 abstützt.
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Bei dem dargestellten Gelenk werden die Kugeln 6 primär durch einen Laufbahn-Offset in die Halbwinkelebene gesteuert. Dazu sind die Krümmungsmittelpunkte OBa und OBi der Kugellaufbahnradien RBa und RBi des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3, die in 1 jeweils auf den Mittelpunkt der betreffenden Kugel 6 bezogen sind, um den gleichen Betrag VAXi und VAXi axial zu der Gelenkmitte Z versetzt. Die entsprechenden Laufbahn-Steuerwinkel sind in 1 mit den Bezugszeichen ψa und ψi gekennzeichnet. In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels können die Krümmungsmittelpunkte OBa und OBi zusätzlich einen radialen Versatz aufweisen.
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Wie in 1 dargestellt, ergibt sich die Lage der Kugeln 6 beim Abbeugen des Gelenks zum einen aus dem Schnittpunkt der Kugelmittelpunktsbahnen am Gelenkaußenteil 2 und am Gelenkinnenteil 3. Zum anderen werden die Kugeln 6 auch durch die Steuerung des Käfigs 4 in einer gemeinsamen, so genannten homokinetischen Ebene bzw. Halbwinkelebene geführt. Der Käfig 4 zentriert hierbei das Gelenkaußenteil 2 und das Gelenkinnenteils 3 jeweils über axial versetzte sphärische Außen- und Innenflächen 11 und 12 zueinander und führt gleichzeitig die Kugeln 6 in den Fenstern 5.
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Um eine einwandfreie Funktion des Gelenks 1 zu gewährleisten, ist es bei einer Kombination dieser beiden Steuerungssysteme normalerweise erforderlich, die Laufbahnsteuerung und/oder die Käfigzentrierung mit Spiel auszuführen. Zudem muss die Lage der durch die Kugelanlage an den Käfigfenstern 5 definierten Ebene zu den Krümmungsmittelpunkten PKa und PKi der sphärischen Außen- und Innenflächen 11 und 12 des Käfigs 4 sehr exakt eingehalten werden. Die entsprechenden Maße müssen folglich mit einer hohen Genauigkeit und geringer Schwankungsbreite hergestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird der erforderliche Toleranzausgleich nun jedoch nicht primär über die Steuerungssysteme sondern über die Käfigfenster 5 realisiert. Hierbei macht man sich zunutze, dass die Kugeln 6 bei jeder Umdrehung des abgebeugten Gelenks 1 eine Relativbewegung zu den Käfigfenstern 5 in Umfangsrichtung des Käfigs 4 vollführen. Diese Bewegung ist in 4 durch SKrad gekennzeichnet. Die Amplituden der Auslenkung in Umfangsrichtung SKrad um eine durch die Lage der Kugel 6 bei gestrecktem Gelenk definierte Mittelstellung nehmen mit zunehmendem Beugewinkel zu.
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Werden die Seitenwände 13 und 14 der Fenster 5, welche diese in Axialrichtung des Käfigs 4 begrenzen, gekrümmt ausgeführt, wie dies in den 3 und 4 zu erkennen ist, resultiert aus der Relativbewegung in Umfangsrichtung SKrad zusätzlich eine axiale Bewegung SKax der Kugeln 6. Hierdurch verschiebt sich die Lage der homokinetischen Ebene, so dass eine dynamische Anpassung an das von der Laufbahnsteuerung vorgegebene Drehzentrum erfolgen kann.
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Die einander gegenüberliegenden Seitenwände 13 und 14 der Fenster 5 sind mit einer sich in Umfangsrichtung verändernden Weite ausgeführt, so dass sich für die Kugeln 6 eine von der Abweichung SKrad abhängige Passung ergibt, die entsprechend dem benötigten Toleranzausgleich gewählt wird.
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Beispielsweise ist es möglich, die Kugeln 6 bei gestrecktem Gelenk 1, d.h. bei koaxialer Ausrichtung des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3, spielfrei oder mit einem kleinen Spiel ∆ von maximal 0,2 mm zwischen den gekrümmten Seitenwänden 13 und 14 der Fenster 5 zu platzieren, während zu größeren Beugewinkeln hin ein in Umfangsrichtung des Käfigs 4 zunehmendes Spiel ∆ vorgesehen wird, um Zwängungen und eine damit verbundene höhere Reibung im Gelenk zu vermeiden.
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Vorzugsweise nimmt dieses Spiel ∆ ausgehend von einer Mittelstellung bei gestrecktem Gelenk in beide Umfangsrichtungen des Käfigs 4 zu. Diese Mittelstellung ist in 4 durch eine Kugel 6 in Vollliniendarstellung gekennzeichnet.
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Wie 4 weiter zeigt, sind die gekrümmten Seitenwände 13 und 14 der bogenförmigen Fenster 5 durch zwei Krümmungsradien R1 und R2 erzeugt, deren Mittelpunkte OR1 und OR2 voneinander beabstandet sind. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der kleinere Krümmungsradius R2 der stärker gekrümmten Seitenwand 14 deutlich kleiner, als R1–DK, wobei DK den Kugeldurchmesser darstellt. Hierdurch erhält die Kugel 6 im Käfigfenster 5 ein dynamisches Spiel ∆, das sich je nach Stellung der Kugel 6 verändert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt das Spiel ∆ mit der Radialabweichung zu.
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Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, durch zwei unterschiedliche Krümmungsradien in Verbindung mit einem Versatz der Krümmungsmittelpunkte OR1 und OR2 ein sich mit der Radialabweichung verjüngendes Spiel einzustellen.
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Anstelle von Kreisbögen können ersatzweise kreisbogenähnliche Kurvenverläufe vorgesehen werden, deren Krümmungszentren voneinander beabstandet sind.
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Da bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Toleranzausgleich zwischen beiden Steuerungssystemen über den Verlauf des Spiels ∆ der Kugeln 6 zwischen den gekrümmten Seitenwänden 13 und 14 der Fenster 5 vorgenommen ist, können die für Laufbahnsteuerung sowie die Käfigzentrierung erforderlichen Abmessungen mit größeren Toleranzen gefertigt werden, ohne dass die Gefahr einer erhöhten Reibung oder eines Verklemmens des Gelenks bei großen Beugewinkeln besteht.
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Der vorstehend erläuterte Toleranzausgleich über ein lageabhängiges Spiel ∆ in den Käfigfenstern 5 kann auch dann den zum Einsatz kommen, wenn die Steuerung der Kugeln 6 in die Halbwinkelebene allein durch einen axialen Versatz der Krümmungszentren der Kugellaufbahnen oder allein durch einen axialen Versatz der Krümmungszentren der Käfigführungsflächen erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleichlaufgelenk
- 2
- Gelenkaußenteil
- 3
- Gelenkinnenteil
- 4
- Käfig
- 5
- Käfigfenster
- 6
- Kugel
- 7
- sphärische Käfigführungsfläche am Gelenkaußenteil
- 8
- sphärische Käfigführungsfläche am Gelenkinnenteil
- 9
- Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil
- 10
- Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil
- 11
- sphärische Außenfläche des Käfigs
- 12
- sphärische Innenfläche des Käfigs
- 13
- gekrümmte Seitenwand
- 14
- gekrümmte Seitenwand
- A
- Längsachse des Gelenkaußenteils
- B
- Längsachse des Gelenkinnenteils
- DK
- Kugeldurchmesser
- OBa
- Krümmungsmittelpunkt der Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil
- OBi
- Krümmungsmittelpunkt der Kugellaufbahn an Gelenkinnenteil
- OFFKa
- axialer Offset des Krümmungsmittelpunkts der sphärischen Außenfläche 11
- OFFKi
- axialer Offset des Krümmungsmittelpunkts der sphärischen Innenfläche 12
- OR1
- Krümmungsmittelpunkt des Radius der Seitenwand 13
- OR2
- Krümmungsmittelpunkt des Radius der Seitenwand 14
- PKa
- Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Außenfläche 11 und der Käfigführungsfläche 7
- PKi
- Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Innenfläche 12 und der Käfigführungsfläche 8
- R1
- Radius der Seitenwand 13
- R2
- stärker gekrümmter Radius der Seitenwand 14
- RBa
- Krümmungsradius der Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil (bezogen auf die Kugelmitte)
- RBi
- Krümmungsradius der Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil (bezogen auf die Kugelmitte)
- SKax
- axiale Relativverschiebung zwischen Kugel und Käfig
- SKrad
- Relativverschiebung zwischen Kugel und Käfig in Umfangsrichtung des Käfigs
- VAXa
- axialer Offset des Krümmungsmittelpunkts der Kugellaufbahn am Gelenkaußenteil
- VAXi
- axialer Offset des Krümmungsmittelpunkts der Kugellaufbahn am Gelenkinnenteil
- β
- Beugewinkel
- ∆
- Spiel
