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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kugelverschiebegelenk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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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 Bauteildrehachse 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.
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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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Da der Betrag des Schrägungswinkels γ im Anlagebereich der Kugeln stets größer ist als der zugehörige halbe Gelenkbeugewinkel, 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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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Ansicht der Stirnseite eines herkömmlichen VL-Gelenks bei maximalem Beugewinkel,
- 2 eine Ansicht der Stirnseite eines Ausführungsbeispiels für ein Kappa-Gelenk nach der Erfindung,
- 3 eine Seitenansicht des Gelenks nach 2,
- 4 eine Längsschnittansicht des Gelenkaußenteils des Gelenks nach 2, und in,
- 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. der nicht dargestellten Drehachse des Gelenkinnenteils 3 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 Drehachseachse A bzw. zur Drehachse des Gelenkinnenteils 3 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 Drehachse A und Drehachse des Gelenkinnenteils 3 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 der zueinander koaxial ausgerichteten Drehachse A und Drehachse des Gelenkinnenteils 3 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 ist so gewählt, 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. Drehachse des Gelenkinnenteils 3. Das vorstehend erläuterte Prinzip lässt sich auch auf spiralförmige Kugellaufbahnen übertragen. Dabei weisen die um die jeweilige Drehachse A bzw. Drehachse des Gelenkinnenteils 3 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 abnehmender 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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Bezugszeichenliste
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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
- Bauteildrehachse des Gelenkaußenteils 2
- γ
- Schrägungswinkel
