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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Kugelverschiebegelenk, umfassend
ein Gelenkaußenteil
mit an einem Innenumfang ausgebildeten Kugellaufbahnen, welche um
eine Drehachse des Gelenkaußenteils
angeordnet sind, ein Gelenkinnenteil mit an einem Außenumfang
ausgebildeten Kugellaufbahnen, welche um eine Drehachse des Gelenkinnenteils
angeordnet sind, wobei die Kugellaufbahnen des Gelenkaußenteils
und des Gelenkinnenteils einander paarweise gegenüberliegen
und sich bei ungebeugtem Gelenk kreuzen, 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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Kugelverschiebegelenke
in VL-Bauart werden eingesetzt, 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 Wellen. Im Unterschied zu Festgelenken
ist in begrenztem Umfang auch ein Ausgleich von Axialverschiebungen
zwischen den Wellen möglich.
VL-Gelenke werden neben Tripodegelenken z. B. in Radantrieben von
Kraftfahrzeugen als Gleichlaufgelenke in Verbindung mit einer Gelenkwelle
eingesetzt. Auch ein Einsatz in Längswellen ist gebräuchlich.
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Bei
VL-Gelenken herkömmlicher
Bauart sind die Kugellaufbahnen gegenüber der jeweiligen Bauteildrehachse
um einen konstanten Winkel mit abwechselnden Vorzeichen angestellt,
wobei am Gelenkaußenteil
und am Gelenkinnenteil jeweils Laufbahnen mit umgekehrtem Vorzeichen
einander gegenüberliegen,
so dass sich die Laufbahnen kreuzen. Über den Kreuzungspunkt der
so gebildeten Laufbahnpaare wird ein eindeutiger Aufenthaltsort
für die
in der jeweiligen Laufbahnpaarung aufgenommene Kugel definiert.
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Der
maximale Beugungswinkel des Gelenks wird üblicherweise durch den Schrägungswinkel
der Kugellaufbahnen begrenzt. Grundsätzlich gilt, dass der erreichbare
Gelenkbeugungswinkel mit zunehmendem Schrägungswinkel zunimmt.
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Bei
VL-Gelenken ist der an den Kugellaufbahnen realisierbare Schrägungswinkel γ der Laufbahnmittellinien,
die durch die Aufenthaltsorte der Kugelmittelpunkte definiert werden,
auf Winkel von maximal etwa 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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Zudem
besteht die Gefahr, dass der Käfig verkippt
und das Gelenk blockiert. Wie 1 zeigt, kommen
bei einem Grenzbeugewinkel mehrere Laufbahnen in die Nähe der Parallelität, so dass
in diesen Laufbahnpaarungen kein eindeutiger Aufenthaltspunkt für die Kugeln
mehr definiert wird. In der in 1 gezeigten
Darstellung trifft dies für
die Kugeln in den Positionen 1, 2, 4 und 5 zu.
Lediglich die Kugeln in den Positionen 3 und 6 besitzen
noch eine merkliche steuernde Wirkung, welche jedoch nicht ausreicht,
um den Käfig
in seiner räumlichen
Lage festzulegen.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Kugelverschiebegelenk zu schaffen, das ohne Zunahme der räumlichen
Abmessungen verbesserte akustische Eigenschaften, einen höheren Wirkungsgrad,
eine höhere
Lebensdauer und eine höhere
Bruchlast aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kugelverschiebegelenk gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Dieses zeichnet
sich dadurch aus, dass die Kugellaufbahnen des Gelenkaußenteils
und des Gelenkinnenteils einen variablen Schrägungswinkelverlauf aufweisen, wobei
im Anlagebereich der Kugeln bei ungebeugtem Gelenk der Betrag des
Schrägungswinkels
zur jeweiligen Bauteildrehachse ein Minimum aufweist und zu Anlagebereichen
betragsmäßig größerer Beugewinkel
hin zunimmt.
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Die
Erfindung macht sich zunutze, dass sich die Kugeln in Kugelverschiebegelenken
im praktischen Betrieb zumeist in der Nähe der Gelenkmittelebene aufhalten.
Die Randbereiche der Kugellaufbahnen, mit denen die Kugeln lediglich
bei großen Gelenkbeugewinkeln
in Kontakt gelangen und für welche
große
Schrägungswinkel
benötigt
werden, werden von den Kugeln in der Praxis selten oder nie erreicht,
da dies an einem Kraftfahrzeug ein vollständiges Ausfedern der Räder erfordern
würde.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden
die in derartigen Extremsituationen benötigten großen Schrägungswinkel für ebensolche
bereitgestellt, während im
Normalbetrieb kleinere Schrägungswinkel,
die für einen
besseren Wirkungsgrad und die akustischen Eigenschaften vorteilhaft
sind, zur Verfügung
stehen.
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Durch
die im normalen Betriebsbereich gegenüber herkömmlichen VL-Gelenken deutlich
verringerten Schrägungswinkel
ergibt sich weiterhin eine geringere dynamische Verschiebekraft,
da die abwechselnd in entgegengesetzter Richtung auf den Käfig einwirkenden
Kräfte
der Kugeln geringer bleiben. Dies wirkt sich positiv auf die akustischen
Eigenschaften und das Standabkoppelungsverhalten im Fahrzeug aus.
Ferner bleibt hierdurch die Belastung des Käfigs geringer, der üblicherweise
das für
die Bruchlastgrenze des Gelenks ausschlaggebende Bauteil darstellt.
Kleinere Schrägungswinkel
begünstigen
darüber
hinaus breitere Stege zwischen den Käfigfenstern, da die Kugeln
bei ihrer Verschiebung entlang der Kugellaufbahnen einen geringeren
Weg in Umfangsrichtung zurücklegen.
Dies trägt
zu einer weiteren Bruchlaststeigerung des Käfigs bei.
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Kleinere
Schrägungswinkel
führen
ferner zu geringeren Kugelnormalkräften an den Kugellaufbahnen.
Dies impliziert verringerte Reibkräfte an den Kontaktstellen zwischen
den Kugeln und den Kugellaufbahnen, woraus eine geringere Reibleistung
und damit ein höherer
Wirkungsgrad resultiert. Zudem ergibt sich hierdurch eine Steigerung
der Lebensdauer.
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Weitere,
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.
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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
Ansicht der Stirnseite eines herkömmlichen VL-Gelenks bei maximalem
Beugewinkel,
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2 eine
Ansicht der Stirnseite eines Ausführungsbeispiels für ein Kappa-Gelenk
nach der Erfindung,
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3 eine
Seitenansicht des Gelenks nach 2,
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4 eine
Längsschnittansicht
des Gelenkaußenteils
des Gelenks nach 2, und in,
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5 eine
Längsschnittansicht
eines modifizierten Gelenkaußenteils
nach der Erfindung.
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2 zeigt
beispielhaft ein Kugelverschiebegelenk 1, 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
nutförmigen
Kugellaufbahnen 4 bzw. 5 versehen. Alle Kugellaufbahnen 4 und 5 sind
gegenüber
der Drehachse A bzw. B des jeweils zugehörigen Gelenkbauteils 2 bzw. 3 angewinkelt.
Die Kugellaufbahnen 4 und 5 des Gelenkaußenteils 2 und
des Gelenkinnenteils 3 liegen einander paarweise gegenüber und
weisen jeweils variable Schrägungswinkel γ zur Achse
A bzw. B auf. Der Verlauf der Schrägungswinkel γ ist so gewählt, dass
sich die Kugellaufbahnen 4 und 5 eines Kugellaufbahnpaares
bei gestrecktem Gelenk 1 kreuzen. In jedem Kugellaufbahnpaar
ist eine drehmomentübertragende
Kugel 6 aufgenommen.
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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 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 Drehachsen 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. 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. Die Länge
der Fenster 8 bemisst sich hierbei nach der Bewegungskomponente
der Kugeln 6 in Umfangsrichtung.
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Erfindungsgemäß weisen
die Kugellaufbahnen 4 und 5 des Gelenkaußenteils 2 und
des Gelenkinnenteils 3 einen variablen Schrägungswinkelverlauf
auf. Im Anlagebereich der Kugeln 6 bei ungebeugtem Gelenk
besitzt der Schrägungswinkel γ dem Betrag
nach ein Minimum. Zu Anlagebereichen betragsmäßig größerer Beugewinkel nimmt der
Schrägungswinkel
zu.
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Vorzugsweise
ist der vom Gelenkbeugewinkel abhängige Schrägungswinkelverlauf über den Anlagebereich
der Kugeln 6 eine differenzierbare Funktion. Hierdurch
werden bei einem Drehen des abgebeugten Gelenks unter Last ruckartige
Veränderungen
der Kugelkräfte
vermieden, was sich positiv auf die akustischen Eigenschaften und
die Lebensdauer des Gelenks auswirkt.
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Der
Schrägungswinkelverlauf
ist eine monotone Funktion oder eine streng monotone Funktion des
Gelenkbeugewinkels.
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Bei
der in 4 anhand des Gelenkaußenteils 2 dargestellten
Ausführungsform
der Kugellaufbahnen werden diese durch gekrümmte Laufbahnabschnitte 9 gebildet,
welche bei gestrecktem Gelenk in der Gelenkmittelebene E tangential
aneinander anschließen. 4 zeigt
die Kugellaufbahnen 4 des Gelenkaußenteils 2. Die hier
nicht näher
dargestellten Kugellaufbahnen 5 des Gelenkinnenteils 3 besitzen
einen zu den koaxial ausgerichteten Drehachsen A und B spiegelbildlichen
Verlauf. In der in 3 dargestellten Seitenansicht
bilden die sich kreuzenden Kugellaufbahnen 4 und 5 die
Form eines liegenden griechischen Buchstabens Kappa, weswegen das
erfindungsgemäße Gelenk
auch als Kappa-Verschiebegelenk
bezeichnet wird.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform für die Kugellaufbahnen
anhand der Kugellaufbahnen 4 des Gelenkaußenteils 2.
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weisen die Kugellaufbahnen des
Gelenkaußenteils 2 und
des Gelenkinnenteils 3 der zweiten Ausführungsform für einen
beschränkten Winkelbereich
des Gelenkbeugewinkels um die Nulllage des Gelenkbeugewinkels gerade
Laufbahnabschnitte 10 mit einem konstanten Schrägungswinkel γ1 auf. An
die geraden Laufbahnabschnitte 10 schließen gekrümmte Laufbahnabschnitte 11 tangential an,
welche jeweils einen betragsmäßig kontinuierlich zunehmenden
Schrägungswinkel γ2 aufweisen.
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Außerhalb
der für
den Betriebsbeugbereich vorgesehenen Anlageabschnitte der Kugellaufbahnen
können
die gekrümmten
Laufbahnabschnitte 9 bzw. 11 in geradlinigen Abschnitten 12 auslaufen bzw.
fortgeführt
werden.
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Der
Schrägungswinkelverlauf
kann so gewählt
werden, dass der Betrag des Schrägungswinkels γ im Anlagebereich
der Kugeln 6 stets größer ist als
der zugehörige
halbe Gelenkbeugewinkel. Hierdurch wird ein Umschlagen der Kugeln
in den Laufbahnen vermieden, da der Kreuzungswinkel der Kugellaufbahnen über eine
Umdrehung stets das gleiche Vorzeichen behält.
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Im
Hinblick auf einen hohen Gelenkwirkungsgrad einerseits sowie eine
ausreichende Steuerungsfunktion andererseits wird der minimale Schrägungswinkel
im Bereich von 4 bis 10°,
vorzugsweise im Bereich von 5 bis 8° gewählt. Die maximalen Schrägungswinkel
liegen in der Größenordnung herkömmlicher
VL-Gelenke. Vorzugsweise ist der maximale Schrägungswinkel größer als
15°.
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In 2 verlaufen
die Kugellaufbahnen 4 und 5 jeweils in einer Ebene
parallel zur zugehörigen Bauteildrehachse
A bzw. B. Das vorstehend erläuterte
Prinzip lässt
sich auch auf spiralförmige
Kugellaufbahnen übertragen.
Dabei weisen die um die jeweilige Drehachse A bzw. B verlaufenden
Spiralen eine variable Steigung auf, woraus entsprechend variable Schrägungswinkel
resultieren. Im Bereich des Schrägungswinkelminimums
besitzen die Spiralen dementsprechend eine höhere Steigung. Wie bei den
vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispielen
kann hierbei um die Nulllage des Gelenkbeugewinkels ein Abschnitt
mit konstanter Steigung vorgesehen sein, der dann in beide Richtungen
in einen Abschnitt mit zunehmender Steigung übergeht. Analog zu der Ausführungsform
nach 4 können
in der Nulllage auch zwei Abschnitte mit zunehmender Steigung unmittelbar
ineinander übergehen.
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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
- 9
- gekrümmter Laufbahnabschnitt
- 10
- gerader
Laufbahnabschnitt
- 11
- gekrümmter Laufbahnabschnitt
- 12
- gerader
Auslauf
- A
- Bauteilmittelachse
des Gelenkaußenteils 2
- B
- Bauteilmittelachse
des Gelenkinnenteils 3 Schrägungswinkel