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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Kugelverschiebegelenk, umfassend ein
Gelenkaußenteil mit an einem Innenumfang ausgebildeten
geschrägten Kugellaufbahnen, welche um eine Drehachse des
Gelenkaußenteils angeordnet sind, ein Gelenkinnenteil mit
an einem Außenumfang ausgebildeten geschrägten
Kugellaufbahnen, welche um eine Drehachse des Gelenkinnenteils angeordnet
sind, wobei die Kugellaufbahnen des Gelenkaußenteils und
des Gelenkinnenteils einander paarweise gegenüberliegen
und jeweils entgegengesetzte Schrägungswinkel aufweisen,
jeweils eine Kugel je Kugellaufbahnpaar, und einen Käfig,
der zwischen dem Gelenkaußenteil und dem Gelenkinnenteil
angeordnet ist und Fenster aufweist, in denen die Kugeln aufgenommen
sind.
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Derartige
Kugelverschiebegelenke in VL-Bauart sind aus dem Stand der Technik
allgemein bekannt, um zwei Wellen zum Zweck der Übertragung
einer Antriebsleistung miteinander zu koppeln. Aufgrund ihrer Winkelbeweglichkeit
erlauben diese Gelenke einen Ausgleich von im Betrieb auftretenden Winkelveränderungen
zwischen den miteinander gekoppelten Weilen. Im Unterschied zu Festgelenken ist
in begrenztem Umfang auch ein Ausgleich von Axialverschiebungen
zwischen den Wellen möglich. Kugelverschiebegelenke der
eingangs genannten Art werden beispielsweise in Radantrieben von
Kraftfahrzeugen als Gleichlaufgelenke in Verbindung mit einer Gelenkwelle
eingesetzt. Auch ein Einsatz in Längswellen ist gebräuchlich.
Beispiele für Gelenke mit geschrägten Laufbahnen
finden sich unter anderem in der
DE 10 2004 062 843 A1 , der
DE 103 53 608 A1 , der
DE 103 45 989 A1 ,
der
DE 197 04 761 A1 der
DE 38 18 730 A1 ,
der
DE 31 02 871 A1 oder der
EP 1 541 885 A1 .
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Bei
Kugelverschiebegelenken der eingangs genannten Art ist der an den
Kugellaufbahnen realisierbare Schrägungswinkel γ der
Laufbahnmittellinien, die durch die Aufenthaltsorte der Kugelmittelpunkte
definiert werden, auf Winkel von maximal 16° beschränkt.
Bei steigendem Schrägungswinkel γ zur jeweiligen
Bauteilmittelachse leiden die akustische Qualität und der
Wirkungsgrad. Zudem nehmen die Kugelnormalkräfte mit steigendem
Laufbahn-Schrägungswinkel in den Kugellaufbahnen zu.
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Ausführungsformen,
bei denen ungeschrägte Kugellaufbahnen mit geschrägten
Kugellaufbahnen abwechseln, besitzen den Nachteil, dass bei unter
Beugung drehendem Gelenk die ungeschrägten Kugellaufbahnen
in einer zur Beugeebene senkrechten Ebene die so genannte 0°-Lage
durchlaufen, in der die entsprechenden Laufbahnen des Gelenkaußenteils
und des Gelenkinnenteils parallel zueinander sind und bei weiterer
Drehung die Kreuzung dieser Laufbahnen zueinander wechselt. Hieraus
resultieren Störkräfte in Axialrichtung, welche
die Kugeln jeweils auf einen Steg des Käfigs ausüben.
Bei geraden Laufbahnenpaaren wiederholt sich dieser Vorgang zweimal
bei jeder Umdrehung des Gelenks, was sich negativ auf die akustischen
Eigenschaften des Gelenks auswirkt und weitere Maßnahmen
im Gelenk erfordert, um dem Effekt entgegenzuwirken.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Kugelverschiebegelenk in VL-Bauart zu schaffen, das ohne Zunahme
der räumlichen Abmessungen verbesserte akustische Eigenschaften,
einen höheren Wirkungsgrad sowie eine höhere Lebensdauer
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kugelverschiebegelenk gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Dieses zeichnet dadurch aus, dass das Gelenkaußenteil
und das Gelenkinnenteil jeweils mindestens zwei Gruppen von geschrägten
Kugellaufbahnen aufweisen, die sich in Bezug auf den Betrag des
Schrägungswinkel zur der jeweiligen Drehachse (A, B) unterscheiden
Hieraus resultiert eine erwünschte, ungleichmäßige
Verteilung der Funktionen der Laufbahnen in Bezug auf die Drehmomentübertragung
und die Gelenksteuerung. Während die Kugellaufbahnen mit kleinerem
Schrägungswinkel primär Drehmoment übertragen
und für die Gelenksteuerung lediglich einen kleinen, allein
unter Umständen nicht ausreichenden Beitrag liefern, liegt
die Hauptfunktion der Kugellaufbahnen mit größerem
Schrägungswinkel bei der Gelenksteuerung. Selbstverständlich
tragen auch die Kugellaufbahnen mit größerem Schrägungswinkel
zur Drehmomentübertragung bei. Allerdings erfolgt diese
dort mit einem geringeren Wirkungsgrad, als in den Kugellaufbahnen
mit kleinerem Schrägungswinkel. Durch die Kugellaufbahnen
mit vermindertem Schrägungswinkel wird somit der Gesamtwirkungsgrad
des Gelenks verbessert und die Erwärmung des Gelenks verringert.
Gleichwohl wird eine Umkehrung des Kreuzungswinkels vermieden.
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Zudem
ergibt sich eine geringere dynamische Verschiebekraft. Dies wirkt
sich positiv auf die akustischen Eigenschaften und das Standabkoppelungsverhalten
im Fahrzeug aus.
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Weitere
Vorteile liegen in einer Steigerung der Lebensdauer durch die Verringerung
der Kugelnormalkräfte. Ferner sind aufgrund der Kugellaufbahnen
mit kleinerem Schrägungswinkel größere
Abstände zwischen benachbarten Kugellaufbahnen möglich.
Dies gestattet bei gleich bleibenden Außenabmessungen den
Einsatz größerer Kugeln und damit eine weitere
Steigerung der Lebensdauer bzw. bei gleich bleibender Kugelgröße
eine kompaktere Bauweise des Gelenks.
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Weitere,
vorteilhafter Ausgestaltung an der Erfindung sind in den Patentansprüchen
angegeben.
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Vorzugsweise
liegt der Schrägungswinkel der ersten Gruppe im Bereich
von 2 bis 8°. Beim Einsatz in einer Gelenkwelle eines Kraftfahrzeugs
wird der kleinere Schrägungswinkel so gewählt,
dass er mindestens dem halben Beugewinkel der Gelenkwelle im Dauerfahrbetrieb
entspricht. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die
sich gegenseitig kreuzenden Laufbahnpaare im normalen Fahrbetrieb nicht
die 0°-Lage durchlaufen, so dass wechselnde Axialkräfte
an den einzelnen Kugeln vermieden werden.
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Die
Schrägungswinkel der zweiten Gruppe liegen vorzugsweise
im Bereich von 10 bis 16°, wodurch die Steuerfunktion des
Gelenks bei jedem Beugewinkel gewährleistet wird.
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Solange
der Gelenkbeugewinkel unter dem doppelten Laufbahnen-Schrägungswinkel
bleibt, tragen alle Laufbahnpaare zur Steuerung bei. Zudem wechselt
die kugelspezifische Axialkraft der einzelnen Laufbahnpaare während
einer Umdrehung des Gelenks unter Beugung nicht die Richtung bzw.
das Vorzeichen.
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Gemäß einer
weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Käfig
Fenster mit in Umfangsrichtung unterschiedlicher Länge
aufweist. Insbesondere können die Fenster derjenigen Kugeln, welche
in Kugellaufbahnpaaren der ersten Gruppe mit kleinerem Schrägungswinkel
aufgenommen sind, in Umfangsrichtung kürzer ausgeführt
werden. Hierdurch erhöht sich die Käfigbruchlast.
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Gemäß einer
weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen in Umfangsrichtung
des Gelenkaußenteils bzw. Gelenkinnenteils jeweils eine Kugellaufbahn
der ersten Gruppe und eine Kugellaufbahn der zweiten Gruppe mit
gleichem Vorzeichen paarweise nebeneinander. Hierdurch können die
auf den Käfig wirkenden Kugelkräfte vollständig ausgeglichen
werden. Dies wirkt sich akustisch sehr vorteilhaft aus. Zudem gestattet
diese Anordnungsweise eine besonders kompakte Unterbringung der Kugeln.
Insbesondere können bei einem solchen Gelenk in einem kleineren
Bauraum acht oder mehr Kugeln untergebracht werden, als bei einem
gleichartigen Gelenk, das mit gleichgroßen Steuerwinkeln
an den Kugellaufbahnen ausgeführt wird. Auch ist die Drehmomentkapazität
bzw. die dynamische Tragfähigkeit eines solchen Gelenks
größer als bei einem vergleichbaren VL-Kugelgelenk
mit sechs Kugeln und gleichem Außendurchmesser.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine
räumliche Darstellung eines VL-Gelenks nach der Erfindung,
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2 eine
Ansicht auf die Stirnseite des Gelenkinnenteils,
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3 eine
räumliche Darstellung des Kugelkäfigs.
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4 eine
schematische Darstellung der Schrägungswinkelanordnung
eines ersten Ausführungsbeispiels,
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5 eine
schematische Darstellung der Schrägungswinkelanordnung
eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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6 eine
schematische Darstellung der Schrägungswinkelanordnung
eines dritten Ausführungsbeispiels,
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7 eine
schematische Darstellung der Schrägungswinkelanordnung
eines vierten Ausführungsbeispiels,
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8 eine
schematische Darstellung der Schrägungswinkelanordnung
eines fünften Ausführungsbeispiels,
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9 eine
schematische Darstellung der Schrägungswinkelanordnung
eines sechsten Ausführungsbeispiels, und in
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10 eine
schematische Darstellung der Schrägungswinkelanordnung
eines siebten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt
beispielhaft ein Kugelverschiebegelenk 1 in VL-Bauart,
das in eine Gelenkwelle eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden kann.
Das Kugelverschiebegelenk 1 umfasst ein Gelenkaußenteil 2 und
ein in diesem angeordnetes Gelenkinnenteil 3. Sowohl das
Gelenkaußenteil 2 als auch das Gelenkinnenteil 3 sind
an ihren zueinander weisenden Umfangsflächen mit Kugellaufbahnen 4 bzw. 5 versehen.
Alle Kugellaufbahnen 4 und 5 sind gegenüber den
jeweiligen Bauteilmittelachsen A bzw. B angewinkelt. Die Kugellaufbahnen
des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 liegen
einander paarweise gegenüber und weisen jeweils entgegengesetzte
konstante Schrägungswinkel auf, so dass sich die Kugellaufbahnen 4 und 5 eines
Kugellaufbahnpaares bei gestrecktem Gelenk 1 kreuzen. In
jedem Kugellaufbahnpaar ist eine drehmomentübertragende
Kugel 6 aufgenommen. Die geschrägten Kugellaufbahnen 4 bzw. 5 können
jeweils in sich gerade oder um die jeweilige Bauteilachse schraubenförmig ausgeführt
werden.
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Zwischen
dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 ist
ein Käfig 7 angeordnet, der eine Vielzahl von
Fenstern 8 zur Aufnahme der Kugeln 6 besitzt.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das
Gelenk 1 insgesamt acht Kugellaufbahnpaare mit acht Kugeln 6 auf.
Jedoch können auch weniger oder mehr Kugellaufbahnpaare
mit einer entsprechenden Anzahl von Kugeln 6 vorgesehen
werden. Durch den Käfig 7 werden die Kugeln 6 im
Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene gehalten, welche bei gebeugtem
Gelenk senkrecht zur Winkelhalbierenden der Achsen A und B steht.
Die Steuerung der Kugeln 6 in diese Winkelhalbebene erfolgt über
die Kugellaufbahnen 4 und 5. Der Käfig 7 selbst
ist hingegen weder an dem Gelenkaußenteil 2 noch
an dem Gelenkinnenteil 3 geführt. Vielmehr ermöglicht
dieser eine axiale Verschiebung zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und
dem Gelenkinnenteil 3.
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Zur
Vermeidung von Zwängungen bei einer Rotation des gebeugten
Gelenks 1 sind aufgrund der geschrägten Kugellaufbahnen 4 und 5 die
Fenster 8 des Käfigs 7 in Umfangsrichtung
länglich ausgebildet, wie dies in 3 gezeigt
ist. Dabei können im Hinblick auf die weiter unten näher
erläuterte Variation der Schrägungswinkel γ der
Kugellaufbahnen 4 und 5 die Fenster 8 mit
in Umfangsrichtung unterschiedlicher Länge ausgebildet
werden, um die Bruchfestigkeit des Käfigs 7 zu
verbessern. Für Laufbahnpaare mit kleinerem Schrägungswinkel γ1
können kürzere Fernster 8a, für
Laufbahnpaare mit größerem Schrägungswinkel γ2
hingegen längere Fenster 8b vorgesehen werden.
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Erfindungsgemäß weisen
das Gelenkaußenteil 2 und das Gelenkinnenteil 3 jeweils
eine erste Gruppe von Kugellaufbahnen auf, die einen ersten Schrägungswinkel γ1
mit der jeweiligen Drehachse A bzw. B einschließen, sowie
eine zweite Gruppe von Kugellaufbahnen, die einen zweiten Schrägungswinkel γ2
mit der jeweiligen Drehachse A bzw. B einschließen. Dabei
ist der Betrag des ersten Schrägungswinkels γ1
kleiner als der Betrag des zweiten Schrägungswinkels γ2.
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Während
der erste Schrägungswinkel γ1 mit 2 bis 8° deutlich
kleiner als bei herkömmlichen VL-Verschiebegelenken gewählt
wird, kann der zweite Schrägungswinkel γ2 wie
bei herkömmlichen VL-Verschiebegelenken 10 bis 16° betragen.
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An
einem Kraftfahrzeug empfiehlt es sich, den kleineren Schrägungswinkel γ1
so zu wählen, dass dieser mindestens dem halben Beugewinkel der
Gelenkwelle im Dauerfahrbetrieb entspricht, damit die sich gegenseitig
kreuzenden Laufbahnpaare im normalen Fahrbetrieb bei einer Umdrehung
des Gelenks nicht in eine Parallelstellung gelangen oder ihren Kreuzungswinkel
umkehren. Hierdurch wird eine Axialkraftumkehr an den Kugeln 6 vermieden, die
sich ansonsten akustisch unvorteilhaft bemerkbar machen würde.
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Je
nach Anzahl der Kugeln 6 im Gelenk sind bestimmte Schrägungswinkelanordnungen
zu bevorzugen, die nachfolgend anhand der in den 4 bis 10 dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den
Figuren ist jeweils eine Abwicklung des Innenumfangs des Gelenkaußenteils 2 bzw.
des Außenumfangs des Gelenkinnenteils 3 dargestellt. Die 4 bis 6 beziehen
sich auf ein Gelenk mit sechs Kugeln, die 7 bis 10 hingegen
auf ein Gelenk mit acht Kugeln. Da sämtliche Laufbahnpaare
durch gekreuzte Kugellaufbahnen 4 und 5 mit entgegengesetzten
Schrägungswinkeln gebildet werden, ist in den Figuren jeweils
lediglich die Schrägungswinkelanordnung für ein
Bauteil 2 bzw. 3 dargestellt, da sich die Schrägungswinkelanordnung
für das andere Bauteil 3 bzw. 2 zwangsläufig
ergibt.
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Bei
dem in 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
wechseln bezogen auf die Umfangsrichtung des Gelenkaußenteils
bzw. Gelenkinnenteils die Kugellaufbahnen der ersten Gruppe mit
Kugellaufbahnen der zweiten Gruppe ab. Zudem wechselt das Vorzeichen
des Schrägungswinkels von Kugellaufbahnen zu Kugellaufbahn.
Es ergibt sich somit in Umfangsrichtung folgende Schrägungswinkelanordnung
aus Kugellaufbahnen der ersten Gruppe mit dem Schrägungswinkel γ1
und Kugellaufbahnen der zweiten Gruppe mit dem Schrägungswinkel γ2:
+γ1, –γ2, +γ1, –γ2,
+γ1, –γ2.
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Bei
dem in 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
ist im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel die
Anzahl der Kugellaufbahnpaare der zweiten Gruppe reduziert, so dass sich
folgende Schrägungswinkelanordnung ergibt: +γ1, –γ2, +γ1, –γ1,
+γ2, –γ1. Da in den Kugellaufbahnpaaren mit
kleinerem Schrägungswinkel die Kraftvektoren der Kugelnormalkräfte
in einem für die Drehmomentübertragung sehr günstigen
Winkel stehen, ergibt sich durch die größere Anzahl
von Kugellaufbahnpaaren mit kleinerem Schrägungswinkel γ1
ein tendenziell verbesserter Wirkungsgrad gegenüber der Anordnung
aus 4.
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Das
dritte Ausführungsbeispiel in 6 zeigt eine
Schrägungswinkelanordnung +γ2, –γ1,
+γ2, –γ2, +γ1, –γ2,
welche gegenüber einem herkömmlichen Gelenk, bei
dem alle Schrägungswinkel den Betrag γ2 aufweisen,
eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften und des Wirkungsgrads
ermöglicht.
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7 zeigt
eine für ein Gelenk mit acht Kugeln besonders vorteilhafte
Schrägungswinkelanordnung, bei der in Umfangsrichtung des
Gelenkaußenteils bzw. Gelenkinnenteils jeweils eine Kugellaufbahn
der ersten Gruppe und eine Kugellaufbahn der zweiten Gruppe mit
gleichem Vorzeichen paarweise nebeneinander liegen, wodurch bei
gleich bleibender Drehmomentübertragungskapazität
eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht wird bzw. bei
gleich bleibenden Außenabmessungen die Drehmomentübertragungskapazität
und/oder Lebensdauer gesteigert werden kann.
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Da
zudem die Anzahl der Kugellaufbahnen der ersten Gruppe gleich der
Anzahl der Kugellaufbahnen der zweiten Gruppe ist und ferner die
Anzahl von Kugellaufbahnen mit positivem und negativem Vorzeichen
in einer Gruppe gleich groß ist, sind die auf den Käfig 7 einwirkenden
Axialkräfte der Kugeln 6 weitestgehend ausgeglichen.
Die Schrägungswinkelanordnung in 7 lautet
+γ1, +γ2, –γ1, –γ2,
+γ1, +γ2, –γ1, –γ2.
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Jedoch
ergeben sich auch bei anderen Schrägungswinkelanordnungen
an Gelenken mit acht Kugeln Vorteile in Bezug auf die akustischen
Eigenschaften und den Gelenkwirkungsgrad.
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In 8 folgen
in Umfangsrichtung des Gelenkaußenteils bzw. Gelenkinnenteils
auf zwei Kugellaufbahnen der ersten Gruppe zwei Kugellaufbahnen der
zweiten Gruppe, wobei die benachbarten Kugellaufbahnen einer Gruppe
entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Die Schrägungswinkelanordnung
in 8 lautet dementsprechend –γ2,
+γ1, –γ1, +γ2, –γ2,
+γ1, –γ1.
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Das
sechste Ausführungsbeispiel in 9 zeigt
eine Schrägungswinkelanordnung –γ2, +γ1, –γ2,
+γ1, +γ2, –γ1, +γ2, –γ1,
welche gegenüber einem herkömmlichen Gelenk, bei
dem alle Schrägungswinkel den Betrag γ2 aufweisen,
eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften und des Wirkungsgrads
ermöglicht. Gleiches gilt für das siebte Ausführungsbeispiel
in 10 mit der Schrägungswinkelanordnung –γ2,
+γ1, –γ2, +γ1, –γ2,
+γ1, –γ2, +γ1, bei der alle
Kugellaufbahnen einer Gruppe an einem Bauteil 2 bzw. 3 das
gleiche Vorzeichen und alle Kugellaufbahnen der weiteren Gruppe
das entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.
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In
Abwandlung der dargestellten Ausführungsbeispiele können
auch mehr als zwei Gruppen von Kugellaufbahnen mit betragsmäßig
unterschiedlichem Schrägungswinkeln vorgesehen werden.
Beispielsweise können an einem Gelenk mit neun Kugeln und
neun Laufbahnpaaren drei Gruppen von Kugellaufbahnen mit betragsmäßig
unterschiedlichem Schrägungswinkels vorgesehen werden.
In jedem Fall sind sämtliche Laufbahnen geschrägte
Laufbahnen.
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Weiterhin
ist es möglich, für die einzelnen Gruppen mit
unterschiedlichem Schrägungswinkel Kugeln mit unterschiedlichem
Durchmesser zu verwenden, wobei in den stärker lasttragenden
Laufbahnen mit kleinerem Schrägungswinkel größere
Kugeldurchmesser zum Einsatz kommen als in den stärker steuerungsorientierten
Laufbahnen mit größerem Schrägungswinkel.
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Die
Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
beispielhaft erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese
Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst
alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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- 1
- Kugelverschiebegelenk
- 2
- Gelenkaußenteil
- 3
- Gelenkinnenteil
- 4
- Kugellaufbahn
- 5
- Kugellaufbahn
- 6
- Kugel
- 7
- Käfig
- 8
- Fenster
im Käfig 7
- A
- Bauteilmittelachse
des Gelenkaußenteils 2
- B
- Bauteilmittelachse
des Gelenkinnenteils 3
- γ1
- Schrägungswinkel
der ersten Gruppe (kleinerer Schrägungswinkel)
- γ2
- Schrägungswinkel
der zweiten Gruppe (größerer Schrägungswinkel)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004062843
A1 [0002]
- - DE 10353608 A1 [0002]
- - DE 10345989 A1 [0002]
- - DE 19704761 A1 [0002]
- - DE 3818730 A1 [0002]
- - DE 3102871 A1 [0002]
- - EP 1541885 A1 [0002]