-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kugelverschiebegelenk, umfassend ein Gelenkaußenteil mit an seinem Innenumfang ausgebildeten Kugellaufbahnen, die um eine Drehachse des Gelenkaußenteils angeordnet sind, ein Gelenkinnenteil mit an seinem Außenumfang ausgebildeten Kugellaufbahnen, die um eine Drehachse des Gelenkinnenteils angeordnet sind, sowie Kugeln, die mit jeweils einer Kugellaufbahn des Gelenkaußenteils und einer Kugellaufbahn des Gelenkinnenteils zur Übertragung eines Drehmoments in Eingriff stehen.
-
Derartige Gleichlaufgelenke ermöglichen sowohl eine Beugung als auch eine axiale Verschiebung innerhalb des Gelenks und sind in unterschiedlichen Bauformen bekannt. So genannte DO-Gelenke weisen gerade Kugellaufbahnen auf, die parallel zur jeweiligen Bauteilachse verlaufen. Bei VL-Gelenken sind die Kugellaufbahnen hingegen geschrägt. Ensprechende Gelenke sind beispielsweise beschrieben in Seher-Thoss, H. Chr. et al: Universal Joints and Driveshafts, 2nd edition, Springer 2006, Seiten 200 bis 206. Zudem existieren Mischformen mit geraden und geschrägten Kugellaufbahnen, wie beispielsweise sogenannte SC-Gelenke. Hierzu kann auf
DE 10 2007 023 354 A1 verwiesen werden.
-
Leicht verschiebliche Gelenke mit einer Verschiebekraft im Bereich von 0 bis 100 N weisen im Vergleich zu schwerverbauten Gelenken mit einer Verschiebekraft von mehr als 100 N Vorteile im Hinblick auf die Lebensdauer, das Temperaturverhalten, den Wirkungsgrad und die akustischen Eigenschaften auf. Jedoch sind leicht verschiebliche Gelenke im Handling und bei der Montage sehr empfindlich. Insbesondere neigen diese dazu, sich selbst zu zerlegen. Zudem kann das Gelenkinnenteil gegenüber dem Gelenkaußenteil verkippen. Dies führt zu Problemen und Störungen im Montageprozess und bedingt einen Mehraufwand für das Ausrichten und Halten der Gelenkbauteile zueinander. Vor allem Gelenke, welche im unteren Toleranzbereich der Verschiebekraft liegen oder sogar ein Spiel zwischen den Kugeln und den zugehörigen Kugellaufbahnen aufweisen, müssen sehr sorgfältig gehandhabt werden.
-
-
DE 103 52 408 A1 zeigt ein Kugelverschiebegelenk mit geschrägten Kugellaufbahnen, bei dem eine variierte Passung zwischen Kugel und Käfigfenster vorgesehen ist.
DE 10 2004 062 843 B4 zeigt ein Verschiebegelenk mit inneren axialen Anschlägen.
EP 1 707 835 A1 zeigt ein Gleichlaufgelenk.
DE 44 43 093 C1 zeigt ein Kugelgleichlaufgelenk, bei dem Pressungsbeanspruchungen an Kontaktstellen zwischen einer Kugel und den Laufbahnen angepasst sind.
US 7,621,816 B2 zeigt ein Gleichlaufgelenk einer Antriebswelle mit einem begrenzten axialen Verstellweg.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, ein Kugelverschiebegelenk zu schaffen, das verbesserte Handhabungs- und Montageeigenschaften aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Kugelverschiebegelenk gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Gelenk zeichnet sich dadurch aus, dass die Passung zwischen einer Kugel und den diese aufnehmenden Kugellaufbahnen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils in Abhängigkeit einer Axialverschiebung des Gelenkaußenteils relativ zu dem Gelenkinnenteil derart variiert, dass zumindest in einem Randbereich der Axialverschiebung im Vergleich zu einem angrenzenden Hauptbetriebsbereich des Gelenks, welcher Spiel oder eine leichte Pressung aufweist, eine erhöhte Pressung vorliegt.
-
Bei der Handhabung oder Montage können das Gelenkaußenteil und das Gelenkinnenteil soweit axial gegeneinander verschoben werden, dass das Gelenkinnenteil über die Pressung der Kugeln in den Kugellaufbahnen gegenüber dem Gelenkaußenteil gegen Verkippen selbsthaltend ist. Hierdurch können bei der Montage insbesondere leicht verschieblicher Kugelverschiebegelenke die bisher erforderlichen Maßnahmen zum Ausrichten und Halten der Bauteile entfallen, wodurch ein bemerkenswerter Einspareffekt in der Fertigung erzielt wird.
-
Zudem wird hierdurch ein starkes Abbeugen des Gelenks bei großer Axialverschiebung verhindert, so dass die Gefahr einer Selbstzerlegung des Gelenks bei der Handhabung desselben vermindert wird.
-
Im Hauptbetriebsbereich, das heißt bei kleinen Axialverschiebungen, weist das Gelenk hingegen eine geringe Verschiebe- und Beugekraft auf, die im wesentlichen durch ein Spiel oder eine leichte Pressung der Kugeln zwischen den Kugellaufbahnen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils erzeugt wird.
-
Durch eine beiderseitige Anordnung entsprechender Randbereiche um einen Hauptbetriebsbereich kann eine Selbstzentrierung erzielt werden, die in bestimmten Einbausituationen vorteilhaft ist. Ein Beispiel hierfür sind Antriebsgelenkwellen mit zwei Verschiebegelenken, die beispielsweise an Hinterachsen eingesetzt werden. Bei solchen so genannten schwimmenden Gelenkwellen werden üblicherweise Gelenke mit inneren Anschlägen eingesetzt, die verhindern, dass während des Betriebs die Kugeln eines der Gelenke an einer Kappe oder an einem Gelenkboden anlaufen und so Geräusche erzeugen. Durch solche Anschläge wird jedoch der Verschiebeweg verkürzt. Nimmt die Pressung und damit die Verschiebekraft in Richtung der Kappe und des Gelenkbodens kontinuierlich zu, zentrierenden sich die Kugeln durch die auf sie wirkenden Kräfte, so dass sich diese in der Gelenkmitte aufhalten und die Anschläge entfallen können. Dies ermöglicht einen größeren Verschiebeweg oder ein kürzeres Gelenk.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher dargestellt. Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine Längsschnittansicht eines Kugelverschiebegelenks nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Stellung mit hoher Axialverschiebung im Gelenk,
-
2 eine Querschnittsansicht des Gelenkaußenteils zur Veranschaulichung des Rollkreisdurchmessers,
-
3 eine Längsschnittansicht des Gelenkaußenteils,
-
4 verschiedene Rollkreisdurchmesserverläufe in schematischer Darstellung, und in
-
5 eine schematische Darstellung der Rollkreisdurchmesserverläufe für ein Verschiebegelenk einer schwimmenden Gelenkwelle.
-
Das Ausführungsbeispiel zeigt ein Kugelverschiebegelenk in VL-Bauart. Jedoch lässt sich das nachfolgend beispielhaft anhand eines VL-Gelenks erläuterte Prinzip auch auf andere Typen von Kugelverschiebegelenken übertragen, die z. B. in einer Seitenwelle oder einer Längswelle eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden können.
-
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, die gegenüber der jeweiligen Bauteilmittelachse A bzw. B auf dem Umfang angewinkelt sind. Die Kugellaufbahnen 4 und 5 des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 liegen einander paarweise gegenüber und weisen jeweils entgegengesetzte 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 sein. Zudem können die Kugellaufbahnen einzelner Kugellaufbahnpaare auch ohne Schrägung ausgeführt sein.
-
Zwischen dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 ist ein Käfig 7 angeordnet, der eine Vielzahl von Fenstern 8 zur Aufnahme der Kugeln 6 ausbildet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Gelenk 1 insgesamt sechs Kugellaufbahnpaare mit sechs 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 geschrägten Kugellaufbahnen 4 und 5. Der Käfig 7 selbst ist gegenüber dem Gelenkaußenteil 2 und dem Gelenkinnenteil 3 axial verschiebbar, wodurch das Gelenkaußenteil 2 relativ zu dem Gelenkinnenteil 3 verschoben werden kann.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Passung zwischen einer Kugel 6 und den diese aufnehmenden Kugellaufbahnen 4 und 5 des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 in Abhängigkeit der Axialverschiebung des Gelenkaußenteils 2 relativ zu dem Gelenkinnenteil 3 variiert, so dass zumindest eine Extremstellung einer Axialverschiebung existiert, in der durch eine Pressung der Kugel 6 zwischen den Kugellaufbahnen 4 und 5 ein hoher Widerstand gegen ein Verkippen des Gelenkinnenteils 3 zu dem Gelenkaußenteil 2 besteht. In dieser Stellung sind das Gelenkaußenteil 2 und das Gelenkinnenteils 3 in einer für Montageprozesse ausreichenden Weise selbsthaltend, so dass zum Beispiel beim Einführen einer Welle 9 in die zugehörige Aufnahmeöffnung am Gelenkinnenteil 3 auf zusätzliche Positionierhilfen verzichtet werden kann. Zudem bietet die Selbsthaltefunktion einen Widerstand gegen ein Selbstzerlegen des Gelenks, wodurch dessen Handhabung vereinfacht wird.
-
Eine erhöhte Pressung in einem Extrem- oder Randbereich 10 der Axialverschiebung wird durch einen variablen Rollkreisdurchmesser PCDA erzielt, der am Gelenkaußenteil 2 am Anfang und/oder Ende einer Kugellaufbahnen 4 kleiner als im Hauptbetriebsbereich 11 ist. In gleicher Weise kann der Rollkreisdurchmesser PCDI einer Kugellaufbahn 5 des Gelenkinnenteils 3 am Anfang und/oder Ende größer als im Hauptbetriebsbereich 11 sein. Die Variation des Rollkreisdurchmessers PCDA bzw. PCDI kann entweder nur am Gelenkaußenteil 2, nur am Gelenkinnenteil 3 oder an beiden Gelenkbauteilen vorgenommen sein. Unter dem Rollkreisdurchmesser PCDA bzw. PCDI wird, wie in 2 für das Gelenkaußenteil 2 dargestellt, der Wälzkreisdurchmesser der Kugelmittelpunkte bei spielfreier Anlage an den Kugellaufbahnen des jeweiligen Gelenkbauteils verstanden. Ist der wirksame Rollkreisdurchmesser PCDA des Gelenkaußenteils 2 im Kontaktpunkt einer Kugel 6 kleiner als der korrespondierende Rollkreisdurchmesser PCDI am Kontaktpunkt der Kugel 6 mit der Kugellaufbahn 5 des Gelenkinnenteils 3, erfährt die Kugel 6 bei idealem Kugeldurchmesser eine Pressung. Je nach Verbauart der Gelenke und unter Berücksichtigung der Toleranzen reichen schon wenige Tausendstel Millimeter, um eine ausreichende Verdreh- und Demontagesicherung zu erzeugen.
-
4 zeigt beispielhaft unterschiedliche Rollkreisdurchmesserverläufe PCDA bzw. PCDI am Gelenkaußenteil 2 und am Gelenkinnenteil 3, mit denen der oben genannte Effekt einer im Vergleich zum Hauptbetriebsbereich 10 erhöhten Pressung in einem oder zwei Randbereichen 11 der Axialverschiebung erzielt werden kann.
-
Dazu weisen beispielsweise eine oder mehrere Kugellaufbahnen 4 des Gelenkaußenteils 2 mindestens einen Endabschnitt 12 mit einem gegenüber einem angrenzenden Laufbahnabschnitt 13 verjüngten Rollkreisdurchmesser PCDA auf.
-
Analog weisen eine oder mehrere Kugellaufbahnen 5 des Gelenkinnenteils 3 mindestens einen Endabschnitt 14 mit einem gegenüber einem angrenzenden Laufbahnabschnitt 15 vergrößerten Rollkreisdurchmesser PCDI auf.
-
Der Hauptlaufbereich 11 des Gelenks fällt mit den Laufbahnabschnitten 13 und 15 zusammen, während der Randbereich 10 mit erhöhter Pressung durch die Endabschnitte 12 und 14 der Laufbahnen 4 und 5 entsteht.
-
In einer ersten Variante a) weist der Rollkreisdurchmesserverlauf PCDA der Kugellaufbahnen 4 des Gelenkaußenteils 2 entlang der Drehachse A desselben einen achsparallelen Abschnitt 13 auf, an den sich ein in Richtung zu der Drehachse A hin schräg verjüngender Abschnitt 12 anschließt. In einer zweiten Variante b) erfolgt die Verjüngung bogenförmig. Ferner kann, wie in Variante c) gezeigt, an den achsparallelen Abschnitt 13 ein sich in Richtung der Drehachse A stufenförmig abgesetzter Abschnitt mit verjüngtem Rollkreisdurchmesser anschließen.
-
In Variante d) verjüngt sich der Rollkreisdurchmesserverlauf PCDA einer oder mehrerer Kugellaufbahnen 4 des Gelenkaußenteils 2 entlang der Drehachse A desselben zu einem Endabschnitt hin geradlinig oder, in einer weiteren Variante e) bogenförmig, von einem größeren Rollkreisdurchmesser zu einem kleineren Rollkreisdurchmesser.
-
Entsprechende Rollkreisdurchmesserverläufe PCDI können auch am Gelenkinnenteil 3 vorgesehen werden.
-
Gemäß einer ersten Variante weist der Rollkreisdurchmesserverlauf PCDI der Kugellaufbahnen 5 des Gelenkinnenteils 5 entlang der Drehachse B desselben einen achsparallelen Abschnitt 15 auf, an den sich ein in Richtung von der Drehachse B weg schräg zunehmender Abschnitt 14 anschließt. Letzterer kann, wie in Variante b) gezeigt, auch bogenförmig zunehmen. Ferner kann an den achsparallelen Abschnitt 15 ein sich in Richtung von der Drehachse B weg stufenförmig abgesetzter Abschnitt mit erhöhtem Rollkreisdurchmesser anschließen, wie dies in Variante c) gezeigt ist.
-
Weiterhin kann der Rollkreisdurchmesserverlauf PCDI der Kugellaufbahnen 5 des Gelenkinnenteils 3 entlang der Drehachse B desselben zu einem Endabschnitt hin geradlinig oder bogenförmig von einem kleineren Rollkreisdurchmesser zu einem größeren Rollkreisdurchmesser zunehmen, wie dies in den Varianten d) und e) gezeigt ist.
-
Die in 4 lediglich beispielhaft dargestellten Rollkreisdurchmesserverläufe des Gelenkaußenteils 2 und des Gelenkinnenteils 3 können beliebig miteinander kombiniert werden.
-
Eine erhöhte Pressung kann für lediglich einen an den Hauptbetriebsbereich 11 angrenzenden Randbereich 11 vorgesehen werden, oder, wie in 5 gezeigt, an zwei Randbereichen 11, welche einen Hauptbetriebsbereich 10 einschließen. Im letztgenannten Fall steigen die Verschiebekräfte in Richtung der Randbereiche 10 kontinuierlich an, wodurch die Kugeln durch die auf sie wirkenden Kräfte nach dem Prinzip des kleinsten Widerstands zentriert werden, so dass sich diese in die Gelenkmitte gedrängt werden. Hierdurch können etwaige innere Anschläge im Gelenk entfallen. Mit Vorteil werden derartige Verschiebegelenke in schwimmenden Gelenkwellen eingesetzt, welche zwei Verschiebegelenke aufweisen.
-
Die oben erläuterten Laufbahnformen können mit konventioneller Fertigungstechnik und konventionellen Werkzeugen hergestellt werden. Insbesondere können die Kugellaufbahnen gefräst werden. Sowohl bei einer Hartbearbeitung als auch bei einer Grünfertigbearbeitung der Kugellaufbahnen lassen sich diese Laufbahnformen ohne zusätzlichen Aufwand erzeugen bzw. vorhalten. Bei geräumten Kugellaufbahnen kann die gewünschte Variation der Rollkreisdurchmesser entlang der Kugellaufbahnen durch eine gezielte Steuerung der Härteverzüge, beispielsweise durch ein partielles Fesseln eines Gelenkstücks beim Induktivhärten, erhalten werden.
-
Die vorstehend erläuterten Verschiebegelenke gestatten ein verbessertes Handling des Gelenks sowie einer mit einem solchen ausgestatteten Gelenkwelle beim Transport und beider Montage.
-
Zudem wird eine automatisierte Montage des Gelenks und der Gelenkwelle vereinfacht, da keine zusätzliche Demontageabsicherung, Haltevorrichtung und Ausrichtung der Gelenkbauteile erforderlich sind.
-
Bei einem Einsatz in schwimmenden Gelenkwellen ergibt sich durch den Fortfall innerer Anschläge zwischen dem Gelenkinnenteil und dem Käfig ein größerer axialer Verschiebeweg.
-
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie weiterer Varianten näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kugelverschiebegelenk
- 2
- Gelenkaußenteil
- 3
- Gelenkinnenteil
- 4
- Kugellaufbahn
- 5
- Kugellaufbahn
- 6
- Kugel
- 7
- Käfig
- 8
- Fenster
- 9
- Eingangswelle
- 10
- Extrem- bzw. Randbereich der Axialverschiebung
- 11
- Hauptbetriebsbereich
- 12
- Endabschnitt
- 13
- angrenzender Laufbahnabschnitt
- 14
- Endabschnitt
- 15
- angrenzender Laufbahnabschnitt
- A
- Drehachse des Gelenkaußenteils
- B
- Drehachse des Gelenkinnenteils
- PCDA
- Rollkreisdurchmesser des Gelenkaußenteils
- PCDI
- Rollkreisdurchmesser des Gelenkinnenteils
